Г л а в а 1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БИОСФЕРЫ

Г л а в а 1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БИОСФЕРЫ

«Биосфера - единственная область земной коры, занятая жизнью. Только в ней, в тонком наружном слое нашей планеты, сосредоточена жизнь: в ней… Границы биосферы обусловлены пределами устойчивого существования организмов: … · верхняя граница определяется губительным для живых существ, приходящим из космоса жестким электромагнитным…

Иерархическая структура биосферы

1. Жизнь (тайна ее возникновения до сих пор не разгадана). 2. Организм (термин относится к любому существу от микроорганизма до… 3. Биоразнообразие (многообразие видов не случайно).

Вещественный состав среды обитания

Литосфера - это каменная оболочка Земли или земная кора, в которой выделяют два основных типа: океанический (базальтовый) и континентальный… Земная кора сложена преимущественно легкоплавкими силикатами с преобладанием…   Таблица 1. Средний химический состав континентальной и океанической коры Окислы …

Химические элементы в организмах

Макроэлементыучаствуют в строении клеток. Главными элементами являются O, C, H, N и P, поскольку O, C и H образуют глюкозу (С6Н12О6) – начальный… C : N : P = 106 : 16 : 1. Микроэлементы, так или иначе, обеспечивают процессы метаболизма и потому необходимы для существования организмов.…

Общие закономерности химической дифференциации живого вещества в биосфере

Ферсман подчеркивал, что химические элементы, входящие в состав живых организмов, подчиняются тенденциям геохимических процессов – концентрации… Для основных элементов (C, H, O, N и P)важно их участие в строении сложных… Экспансия жизни и ее адаптация к различным геохимическим условиям сопровождались усложнением строения и увеличением…

Биосфера как сложная адаптивная система

«…вся живая материя восстает перед нами как одно целое, как один огромный организм, заимствующий свои элементы из резервуара неорганической природы,… Образное определение используется довольно широко, благодаря своей…

Особенности термодинамической системы биосфера

· сложная; · адаптивная; · неравновесная;

Принцип Ле-Шателье - Брауна

внешнее воздействие, выводящее систему из термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, стремящиеся ослабить результаты этого воздействия.… Из этого принципа вытекает важное следствие: если система не может скомпенсировать влияние внешнего воздействия, то она либо разрушается, либо переходит в новое…

Г л а в а 2. организация живой материи

Жизнь на Земле существует в виде организмов, обособленных от окружающей среды, но находящихся с ней в постоянном взаимодействии. Общепризнано, что первичная биосфера была сформирована прокариотами или в тривиальном словоупотреблении – бактериями, т. е. изначально жизнь дискретна и представлена организмами, клетки, которых отделены от окружающей среды.

Упрощенная схема организации живой материи

В основе современной биологии лежат следующие представления о живой материи:

– все организмы состоят из клеток;

– химические реакции, происходящие в организмах, локализованы внутри клеток;

– все клетки ведут начало от других клеток;

– клетки содержат информацию, которая определяет идущие в них процессы и передается следующему поколению.

Клетка – это совокупность достаточно крупных органических молекул – биополимеров., которые тесно взаимосвязаны друг с другом и не могут существовать вне клетки продолжительное время. По образному определению Г.А.Заварзина клетка представляет кастрюлю, внутри которой идут химическим процессы с участием биополимеров. Отсюда жизнь является новым свойством системы, которое проявилось после образования клетки.

Основные признаки, отличающие живой организм от косного вещества, таковы.

1. Постоянный обмен веществом и энергией с окружающей средой.

2. Способность к воспроизведению.

3. Возможность эволюции в сообществе таких же объектов.

4. Перечисленные выше три условия должны выполняться одновременно. Любое из них в отдельности не делает объект живым.

Перечисленные признаки встречаются и в неживой природе. Примером являются кристаллов. Во-первых, в ходе их роста происходит обмен веществом и энергией с окружающей средой. Во-вторых, все кристаллы имеют одинаковую форму. Отличаются только их размеры., но их форма и химический состав остаются постоянными.

Определения основных признаков живых организмов могут отличаться у разных авторов, отражая круг их профессиональных интересов. Например, к основным свойствам живых организмов Вернадский относил:

– устойчивость химических соединений, слагающих организм, только при его жизни;

– возможность самостоятельно перемещаться (против сил гравитации);

– способность адаптации к различным условиям и быстро осваивать новое пространство.

– высокую скорость обновления живого вещества, (на суше она составляет – 14 лет, в океанах – 33 дня).

В построении клетки, многоклеточных организмов и экосистем лежит единый принцип. Он на техническом языке называется модульным. Схематично модульную структуру биосистем можно представить так. Из молекул строятся более крупные структуры – макромолекулы, которые в дальнейшем образуются биополимеры. Они, в свою очередь, формируют клетки, которые сами могут являться основой многоклеточных организмов. Сообщества организмов одного вида образуют популяции. Популяции разных видов формируют экосистемы. Наконец, глобальная экосистема планеты – биосфера состоит из многих экосистем. Иерархические уровни организации живой материи показаны на рис. 4.

Рис. 4. Иерархические уровни организации живой материи

 

Молекулярный уровень. В основе строения биополимеров лежит ограниченное число более простых мономеров: 21 тип аминокислот, 5 типов азотистых оснований, моносахариды – рибоза или дезоксирибоза, остаток фосфорной кислоты, глюкоза и липиды. Эти мономеры являются кирпичиками, из которых построено все многообразие биополимеров. Для простоты картины здесь не рассматривается роль ферментов и других веществ, участвующих в процессах, происходящих в клетке.

Особенности структуры мономеров состоит в том, что они могут присоединяться друг к другу, образуя сложные молекулы. Обычно мономер представляет химическое соединение, у которого с одной стороны наружу выступает ион водорода (Н⁺), с другой – гидроксила (ОН^‑). Ион (Н⁺) одного мономера может соединяться ионом (ОН^‑) другого мономера, образуя цепочки, которые формируют макромолекулы клетки.

Построение таких структур хорошо видно на примере нуклеотидов, из которых строятся биополимеры ДНК и РНК. Нуклеотид образуется цепочка, которая включает три звена: одно из пяти азотистых оснований (это может быть аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и урацил (U)), моносахарида (рибоза или дезоксирибоза) и остаток фосфорной кислоты (рис. 5).

 

 

Рис. 5. Строение нуклеотида

 

Клетка.Простейший организм представляет клетку, образованную биополимерами: РНК, ДНК, белки, липиды, АТФ и АДФ.

Биополимер РНК (рибонуклеиновая кислота) играет, в основном, роль матрицы для синтеза белков. Она состоит из цепочки нуклеотидов, соединенных в определенной последовательности. Нуклеотиды РНК включают сахар – рибоза. Азотистые основания могут быть: аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и урацил (U). В скобках даны обозначения азотистых оснований.

 

В клетке находятся молекулы РНК трех классов: матричные, транспортные и рибосомные. Они играют ключевую роль в сборке молекулы белка, кодируемого геном.

Матричными, или информационными РНК (мРНК или иРНК) намного короче, чем вся ДНК в хромосоме и могут проникать через ядерные поры в цитоплазму клетки. Так мРНК переносят информацию из ядра («руководящего центра») в «тело» клетки.

Рибосомные РНК (рРНК) и транспортные РНК (тРНК) находятся в «теле» клетки. Они входят в состав клеточной структуры под названием рибосома.

Транспортные РНК устроены так: с одной стороны находятся три азотистых основания, а с другой – участок для присоединения аминокислоты. Эти три основания на молекуле тРНК могут связываться с парными основаниями молекулы мРНК. (Существует 64 молекулы тРНК — четыре в третьей степени – и каждая из них может присоединиться только к одному триплету свободных оснований на мРНК.) Таким образом, процесс сборки белка представляет собой присоединение определенной молекулы тРНК, несущей на себе аминокислоту, к молекуле мРНК. В конце концов, все молекулы тРНК присоединятся к мРНК, и по другую сторону тРНК выстроится цепочка аминокислот, расположенных в определенном порядке. Рибосому можно сравнить с конвейером, на котором происходит сборка молекулы белка.

 

Биополимер ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) сохраняет и передает по наследству информацию о строении, развитии и индивидуальных признаках организма.

Биополимер образуют две цепочки нуклеотидов, соединенных в виде спирали. Нуклеотиды ДНК включают сахар — дезоксирибоза и азотистые основания: аденин (A), гуанин (G), тимин (T) и цитозин (C).

Вертикальные стойки лестницы состоят из молекул сахара и фосфора. Информацию в молекуле несут ступеньки лестницы. Они состоят из двух молекул, каждая из которых крепится к одной из вертикальных стоек. Эти молекулы — четыре азотистых основания. Форма этих молекул позволяет им образовывать связи – законченные ступеньки – лишь определенного типа: между А и Т и между G и C. Другие связи возникнуть не могут. Следовательно, каждая ступенька представлена либо А—Т либо G—C. Считывая ступеньки по одной цепи молекулы ДНК, вы получите сообщение, написанное с помощью алфавита всего из четырех букв: А, Т, G и C. Это сообщение определяет химические превращения, происходящие в клетке. На другой цепи спирали новой информации не содержится, т.к. основанию, которое находится на одной цепи, должно соответствовать определенная вторая половина ступеньки. Т.е. цепи двойной спирали относятся друг другу так же, как фотография и негатив.

Специфичная парность азотистых оснований непосредственно указывает на возможный механизм копирования генетического материала. Когда клетка приступает к делению и необходима ДНК для дочерних клеток, ферменты «расстегивают» ДНК, как застежку-«молнию», обнажая индивидуальные основания. Другие ферменты присоединяют соответствующие основания, находящиеся в окружающей жидкой среде, к парным «обнажившимся» основаниям — А к Т, G к C и т. д. В результате разошедшиеся спирали дают две новых ДНК.

Цепочки ДНК и РНК имеют два отличия:

1. нуклеотиды ДНК содержат дезоксирибозу, РНК – рибозу;

2. в ДНК входит тимин, а РНК его заменяет сходный по строению урацил.

Три общих для РНК и ДНК основания (А, Т и C) представляют код аминокислоты а тимин или урацил – признак окончания кода. Чтобы получить матрицу для синтеза белка (биополимер мРНК), необходимо скопировать часть цепочки ДНК, выполняя при этом замену основания Т на U.

 

Проще всего представить молекулу ДНК в виде длинной лестницы, закрученной в спираль. Вертикальные стойки лестницы состоят из молекул моносахарида и остатка фосфорной кислоты. Вся информация записана на перекладинах лестницы — они состоят из двух молекул, каждая из которых крепится к одной из вертикальных стоек. Эти молекулы – азотистые основания. Форма этих молекул позволяет им образовывать связи – законченные ступеньки – лишь определенного типа. Это связи между основаниями А и Т и между основаниями П и С. Других типов связи в молекуле ДНК быть не может. Спускаясь по ступенькам вдоль одной цепи молекулы ДНК, вы получите последовательность оснований. Они определяют поток аминокислот, из которых будет построен белок. В свою очередь, тип белка устанавливает то, какая химическая реакция должна происходить в клетке.

Строгое соответствие между последовательностью пар оснований в молекуле ДНК и последовательностью аминокислот, составляющих белковые ферменты, называется генетическим кодом. Сегодня известно, что три пары оснований (аденин, гуанин и цитозин) молекулы ДНК (такой триплет получил название кодон) кодируют одну аминокислоту в белке.

Точно так же, как считывается информация с жесткого диска, информация, хранящаяся в ДНК, должна транслироваться и определять в химические процессы в клетке. Основная роль в этом принадлежит РНК. Когда необходимо транслировать какой-либо ген, специальные клеточные молекулы «расплетают» участок ДНК, содержащий этот ген. Теперь молекулы РНК, в огромном количестве плавающие в клеточной жидкости, могут присоединиться к свободным основаниям молекулы ДНК. В этом случае, так же как и в молекуле ДНК, могут образоваться лишь определенные связи. Например, с цитозином (С) молекулы ДНК может связаться только гуанин (G) молекулы РНК. После того как все основания РНК выстроятся вдоль ДНК, специальные ферменты собирают из них полную молекулу РНК. Сообщение, записанное основаниями РНК, так же относится к исходной молекуле ДНК, как негатив к позитиву. В результате этого процесса информация, содержащаяся в гене ДНК, переписывается на РНК.

 

Белки. Все разнообразие белков задается последовательностью соединения аминокислот в цепи РНК. Белки определяют объемную структуру, а также физиологические функции: обмен веществ и энергетические превращения.

Углеводы являются источником химической энергии. Важнейшим углеводом является глюкоза (С₆Н₁₂О₆). Она конечный продукт фотосинтеза и основа всей пищевой цепи в биосфере. Сложные углеводы представляет сцепленные особым образом молекулы глюкозы. Примером являются растительные волокна.

Липиды– это нерастворимые в воде органические молекулы. Они подобны капельками жира на поверхности бульона. Из липидных структур состоят клеточные мембраны, разделяющие компоненты клетки и отделяющие клетку от окружающей среды.

АТФи АДФ– аденозин трифосфат (АТФ) и аденозин дифосфат (АДФ). Осуществляют передачу энергии внутри клетки. Обе молекулы устроены так: азотистое основание - аденин присоединено к молекуле рибозы и все это вместе крепится к хвосту из фосфатов. В хвосте АДФ содержится два фосфата, а в хвосте АТФ – три. Таким образом, в основе этих молекул лежит нуклеотид, к которому дополнительно присоединены один или два фосфата.

Передача энергии идет так. Во время фотосинтеза, образующаяся энергия идет на присоединение третьего фосфата к хвосту АДФ, т.е. образуется АТФ. Молекула АТФ переносится в другие части клетки. Там АТФ превращается в АДФ, освобождая энергию, которая используется в химических процессах.

Многоклеточные организмы состоят из клеток, выполняющих разные функции в частности, у них появляются органы чувств и способность перемещаться. Поэтому многоклеточные, в отличие от одноклеточных организмов, могут адаптироваться к обстановке, изменив свое поведение или положение относительно источника опасности. Это дает им определенные преимущества, но потребление энергии, необходимой для жизнедеятельности,, ограничивая ареал обитания.

Популяция (от фр. population – население) – это сообщество особей одного вида, занимающих определенную территорию и способных поддерживать свою стабильность длительное время в меняющихся условиях среды. Объединение особей в популяцию улучшает устойчивость вида к действию внешних факторов, а самое главное, позволяет адаптироваться к новым условиям путем эволюции. Особи одного вида не изолированы друг от друга. Они образуют популяцию, под которой понимают

Экосистемаобъединяет в функционально единое целое популяции организмов разного вида и среду их обитания. В крупных экосистемах возможен более или менее замкнутый круговорот биогенных веществ, так как в них обязательно присутствуют автотрофы, синтезирующие органическое вещество из неорганического и гетеротрофы, осуществляющий процесс минерализации (превращения) органического вещества в неорганическое. Если процессы синтеза и минерализации сбалансированы, происходит круговорот биогенов и система может существовать продолжительное время, не оказывая влияния на окружающую среду. Нужно подчеркнуть еще одну особенность экосистемы, которая является следствием ее биоразнообразия. Генетические возможности видов, образующих экосистему отличаются, а потому возможна ее эволюция при изменении условий без существенного нарушения круговорота веществ внутри системы.

Биосфера – объединяет все экосистемы планеты. Ее стабильность основана на балансе круговорота вещества. Многообразие, входящих в состав биосферы экосистем, является важным условием высокой степени баланса круговорота и ее устойчивости при постепенном изменении обстановки или катастрофических событиях, таких как падение на Землю крупных метеоритов.

Рассмотрим особенности основных составляющих биосферы: организмов, популяций и экосистем.

Основные типы организмов

Жизнь на Земле многообразна (более 350 000 видов растений и 1,5 миллиона видов животных). Исходя из способа питания, выделяют два главных типа организмов:

· автотрофы (autotrophes от греч. autos - сам + trophe - пища);

· гетеротрофы (heterotrophes от греч. heyeros - другой + trophe - пища).

Автотрофы

Хемосинтетики образуют органическое вещество из двуокиси углерода, окисляя неорганических соединения: аммиак, водород, соединений серы, закисного… 12H2 + 6CO2 = C6H12O6 + 6H2O или железобактерии, использующие закисное железо

Гетеротрофы

Другая классификация организмов основана на их потребности в кислороде, т.е. исходит из процесса, в ходе которого освобождается энергия химической… · анаэробные; · аэробные.

Анаэробы

. Анаэробные организмы представлены, главным образом, прокариотами…

Аэробы

Аэробы (от греч. aer — воздух и bios — жизнь) нуждаются для нормальной жизни в свободном кислороде. Это все растения, почти все животные, грибы и многие бактерии.

Аэробное дыхания имеет принципиальное значение для развития современной биосферы, так как является обязательным условием для существования многоклеточных организмов, нуждающихся в большом количестве энергии.

Аэробный метаболизм (дыхание) схематично можно записать так:

.

При этом высвобождается почти в 14 раз больше энергии, чем при брожении. Это объясняет способность аэробов строить многоклеточные организмы.

В настоящее время лицо биосферы определяют аэробные формы. Анаэробы вытеснены в ниши с неблагоприятными для аэробов условиями. Тем не менее роль анаэробов и сейчас огромна. Примером являются азотфиксирующие бактерии, от деятельности которых зависит плодородие почв.

Фенотип вида

«… жизнь развивается в результате постоянного обмена веществом и информацией на базе потока энергии в совокупном единстве среды и населяющих ее… Водная среда отличается от атмосферы высокой плотностью, большой скоростью… Для суши характерно большая амплитуда изменения температуры, высокое содержание кислорода и т.д. Все это приводит к…

Популяция

Особенно важно, что внутри популяции происходит постепенная эволюция вида. В свою очередь популяция воздействует на окружающую среду и, в частности,… Устойчивость популяций. В экологии понятие "устойчивость" означает… Важнейшим условием устойчивости популяции является ее оптимальная численность или плотность, возрастная структура и…

Экосистема

Экосистемная организация жизни

синтезу – 12H2O + 6CO2 + энергия = C6H12O6 + 6H2O + 6O2 и разложению – C6H12O6 + 6O2 = 6H2O + 6CO2+ энергия.

Размеры и биоразнообразие экосистем

Размер экосистем. По мере увеличения размеров связи между составляющими любой сложной системы постепенно ослабевают. В конечном счете, это приводит… Оптимальные размеры назвать трудно. Они меняются в зависимости от окружающей… Рассмотренную закономерность отражает принцип оптимальности:

Поведение экосистем

· гомеостаз; · сукцессия; · сезонные изменения;

Важнейшие принципы строения биосферы

Д. Чирас сформулировал четыре важнейших экологических принципа, которые лежат в основе строения биосферы следующим образом: · повторное многоразовое использование важнейших веществ; · постоянное восстановление ресурсов;

Факторы, определяющие состав и структуру экосистем

Любое условие или элемент среды, оказывающий прямое или косвенное влияние на живые организмы, хотя бы на протяжении одной из фаз их развития, называютэкологическим фактором (ЭФ). Состав и структура экосистем определяется тремя типами факторов:

· энергетическими;

· абиотическими;

· биотическим.

Энергетические факторы

Правило одного процента

цифра 1% примерно соответствует доли солнечной энергии, которая может аккумулироваться автотрофами. Передача энергии с одного трофического уровня на другой, в свою очередь, не…

Правило десяти процентов или закон пирамиды энергий Р.Линдемана

При переходе с одного трофического уровня на другой может потребляться примерно 10% биомассы или вещества в энергетическом выражении, в противном случае экосистема станет неустойчивой.

Остальная часть необходима для существования и воспроизводства самого трофического уровня.

Доля энергии, поступающей из биосферы в литосферу

Сток углерода в литосферу компенсировался поступлением двуокиси углерода из недр Земли. Количественные оценки этого процесса будут даны при…

Абиотические факторы

Немецкий биохимик Ю. Либих первым показал, чтофактором, лимитирующим рост растения, может являться элемент питания, который присутствует в… выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его… Спустя 70 лет американский зоолог В. Шелфорд сформулировал более общее правило толерантности:

Биотические факторы

Главной и наиболее универсальной формой отношений организмов является конкуренция, которая возникает, когда две популяции либо две особи… При нехватке ресурсов конкуренция обостряется. Стабилизация экосистемы… Примерами неконкурентных отношений являются аменсализм – один вид причиняет вред другому, не извлекая пользы,…

Действие экологических факторов на экосистемы

В. И. Вернадский назвал эту закономерностьэкологической корреляцией. В экосистеме, как и в любой другой системе, все виды живого и абиотические… Одним из следствий экологической корреляции является принцип конкурентного исключения Гаузе.

Показатели состояния экосистемы

Ответы на поставленные вопросы базируются на изучении комплекса показателей. На практике используют как общесистемные показатели, которые отражают… Особенности показателей состояния экосистемы таковы: – оценки распространяются на экологические ниши, так как действие ЭФ зависит от биотических и абиотических условий; …

Экологические риски

«..вероятность причинения вреда жизни или здоровью граждан, имуществу физических или юридических лиц, государственному или муниципальному имуществу,… В экологии дополнительно учитывают последствия риска. Вероятность риска R… .

Вероятность неблагоприятного воздействия

. Обычно, имеют дело c частотой событий, которую определяют экспериментально.… .

Вероятность поражения объектов

. Функция связана с условиями в момент реализации событий (температура, ветер и… ,

Оценка экологического риска

, где Wi – составляющие ущерба; Ci– цена i-й составляющей ущерба. Как правило, показатели Wi и Ci связывают с оценками ущерба, вызванного загрязнением атмосферного воздуха, водоемов и…

Балльные оценки

Их применяют, если рассчитать экологические риски не удается. В этом случае состояние экосистемы или уровень ЭФ определяют, исходя из оценок экспертов. Для ряда случаев шкала оценок дана в нормативных документах. Балльные оценки имеют определенное преимущество, так как позволяют учесть действие ЭФ, измеренных в разных шкалах. Ниже приведена шкала балльной оценки состояния экосистемы, основанная на ее способности к восстановлению и уровнях загрязнения, измеренных в единицах ПДК/ПДК.

Примерная шкала оценки состояния экосистемы

– Благоприятное – негативные воздействия отсутствуют.

– Удовлетворительное – объекты испытывают внешнее воздействие, но их уровень не превышает способность экосистем к самовосстановлению и их состояние устойчиво. Уровни экологических факторов (ЭФ) не превышают ПДК/ПДУ.

– Условно удовлетворительное – уровень воздействия превышает возможности экосистем к восстановлению. Она деградирует, но после прекращении воздействий постепенно восстановится. Требуется ограничение хозяйственного использования и проведение защитных мероприятий. Уровни ЭФ до 5 раз превышают ПДУ/ПДК;

– Неудовлетворительное – территория деградирует. ЭФ в 5-10 раз превышают ПДУ/ПДК. Необходимо ограничение хозяйственного использования и проведение природоохранных мероприятий.

– Катастрофическое – природные системы не могут быть восстановлены, а хозяйственная деятельность невозможна без крупных природоохранных мероприятий. ЭФ в десятки раз превышают ПДУ/ПДК.

Методика оценки риска для здоровья населения от воздействия химических факторов определяют Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы (СанПиН) Минздрава России.

Г л а в а 3. Биогеохимические циклы

– Важнейшими являются круговороты: СО2, Н2О, О2. N и P. – Большое значение имеют круговороты железа и серы. В современной биосфере их… – Биота участвует в круговороте воды, перехватывая влагу корнями и тканями, далее часть воды участвует в…

Общая характеристика циклов экосистем

· геологический; · биогеохимический. Геологический цикл – это круговорот веществ, в котором биота не участвует. Источником поступления вещества в биосферу…

Сопряжение биогеохимического цикла углерода с циклами других биогенов

  Рис. 10. Сопряжение биогеохимических циклов с циклом Сорг [7]

Цикл углерода

  Таблица 4. Объемы резервуаров доступных биоте [7] Название Форма нахождения Масса в т Фонд …   Обменный фонд, из которого растения и водоросли получают углекислый газ и который определяет устойчивость биосферы,…

Геологический кругооборот углерода

· А – осадочный, который охватывает выветривание осадочных пород, образование новых осадков и их преобразование в новые осадочные породы; · В – метаморфический, который включает преобразование магматических и… · С – магматический, который связан с процессом субдукции океанической коры и появлением новых изверженных пород.

Накопление углерода в осадочных породах и процессы рифтогенеза

В 50-х годах прошлого века А. Б. Ронов показал, что в течение фанерозоя накопление Сорг изменялось более чем в 3, а Скарб более чем в 2 раза.… рифтогенез→дегазация Земли + увеличение площади морей→рост…

Биогеохимический цикл углерода

  Таблица 5. Концентрация углекислого газа в атмосфере [10] Эпоха Границы, млн лет Концентрация СО2,…   Практический интерес представляет период последних десятков тысяч лет. Для этого периода общий баланс можно определить…

Антропогенное воздействие на круговорот углерода и его последствия

· сжигание топлива: угля, нефти, газа и др., с которым связаны выбросы СО2 (ежегодно выбрасывает в атмосферу более 22 млрд т CO2); · вырубка лесов и отчуждение земель под строительство сокращают… · уменьшение запасов органического вещества в почвах, которое вызвано эрозией пахотных земель и изъятием продуктов…

Биогеохимический цикл кислорода

До развития жизни на планете единственным его источником могла быть диссоциация воды излучением Солнца, но вероятность этого невелика. В… Первые признаки увеличения концентрации кислорода появляются на рубеже архея и… Долгое время концентрация кислорода не превышала 1% КСА, так называемой, точки Пастера – при концентрации ниже этого…

Биогеохимический цикл азота

Природный биогеохимический цикл азота показан на рис.16. Суммарный поток азота в биосферу составляет порядка 14·1010 т/г. Главный поставщик… Обратный процесс – восстановление нитрат-ионов выполняет цепочка бактерий: · аммонифицирующие бактерии разлагают азотистые органические соединения, образуя аммиак (NH3) или ионы аммония…

Биогеохимический цикл фосфора

Значение фосфора в биосфере проявляется в повышенном содержании его в организмах по сравнению с литосферой. Так, в морских водорослях его –… В годичной продукции океана и суши содержится, соответственно, ~0,4 и ~0,2… Цикл фосфора – пример простого осадочного цикла с несовершенной регуляцией, так как газообразных соединений он не…

Биогеохимический цикл серы

  Имеет несколько изотопов. Наиболее распространены 32S (>95%) и 34S (4,18%).…  

Биогеохимический цикл железа

Особенностью геологического цикла является постепенный сток железа в недра Земли. На ранней стадии развития планеты гравитационная дифференциация… 2FeO + H2O = Fe2O3 + H2 и далее СО2 + 2Н2 = СH2О + Н2О. Поведение железа в современной биосфере в решающей степени зависит от увлажнения, окислительно-восстановительной…

Г л а в а 4. Возникновение и эволюция жизни на Земле

Знание принципов возникновения жизни на Земле необходимо для ясного понимания происходящих в наше время процессов эволюции биосферы. Проблема ранней…

Химическая эволюция

По геологическим масштабам, жизнь на Земле возникла почти сразу после появления планеты. На это потребовалось не более 0,5–0,7 из 4,6 млрд лет… Возникает вопрос: «Возможен ли в неживой природе отбор органических… R + X → 2X.

Сценарий образования и эволюции жизни на Земле

Стадия 1 – мир РНК.Экспериментально показано, что короткие нуклеотиды (прообраз РНК) могли синтезироваться на распространенном глинистом минерале –…   ·

Закономерности эволюции биоты

· усложнение форм жизни; · аддитивный характер изменений; · неравномерность развития.

Примеры наиболее ярких кризисов.

Изменение численность семейств морских видов в фанерозое показана на рис. 22. В ордовик разнообразие видов быстро растет, на протяжении остальной части протерозоя сохраняется примерно на уровне 400 семейств и, наконец, после резкого спада на рубеже перми и триаса вновь непрерывно увеличивается до величины более 800 семейств. На фоне общей тенденции наблюдаются периоды спада. Неоднократные временные падения разнообразия получили название массовых вымираний.

Мел-палеогеновое массовое вымирание. Оно четко выражено и наиболее детально изучено, а его особенности являются эталоном массовых вымираний. Чаще всего говорят о гибели динозавров, но в конце мела исчезли не только динозавры, а многие виды фаун и флор на многих материках и во многих природных зонах. В конце мела исчезают аммониты и белемниты из головоногих моллюсков, все морские рептилии, падает разнообразие фито- и зоопланктона. Однако вымирание не привело к принципиальной смене морских фаун. Доминантные группы бентоса и планктона сохранились. Вместе с тем сухопутная биота позвоночных после этого события стала иной.

Вымирание часто связывают с падением крупного метеорита. По мнению многих его кратером (диаметр около 200 км) является структура Чиксхулуб на полуострове Юкатан в Мексике. Еще одна крупная структура этого возраста – Карский кратер (70–120 км) на Полярном Урале. Следует подчеркнуть, что согласованного мнения о причинах вымирания нет.

Плейстоценово-голоценовое массовое вымирание (6-14 тыс. лет назад) – наиболее молодое из зафиксированных. Оно привело к исчезновению преимущественно крупных сухопутных млекопитающих. Это мамонты в Евразии, мастодонты и пещерные ленивцы в Америке, крупные сумчатые в Австралии. В морской биоте это вымирание почти не заметно и поэтому не отражено на графике рис. 23. Некоторые исследователи связывают вымирание с деятельностью человека, другие объясняют кризис изменениями климата при переходе от ледникового периода к современному межледниковому периоду.

Современное массовое вымирание. Одна из его причин высокие темпы уничтожения тропических дождевых лесов, которые принадлежат к наиболее разнообразному типу сообществ. Подготовка нового издания Международной красной книги показала, что под угрозой исчезновения находится не менее четверти всех млекопитающих, пресмыкающихся, земноводных и рыб. Еще более существенными могут быть изменения среди насекомых. Впервые в список включены морские виды рыб. Качественное сравнение кризиса с более ранними показывает, что он легко может достичь порога, за которым биота перейдет в новое состояние.

 

Рис. 21. Изменение числа семейств морской биоты в фанерозое [21]

 

Механизм эволюции пока до конца не ясен. По Дарвину видообразование представлялся ветвящимся деревом. Исходный вид разделяется на ветви, каждая из которых может делиться дальше, но эволюционирует сама по себе. Модель не может объяснить высокую скорость и неравномерность эволюции.

Генетики первоначально объяснили изменения вида случайными мутациями. Но вероятность таких мутаций мала. В действительности механизм изменения генома сложнее и эффективнее. В природе возможен горизонтальный обмена генами. Он не ограничивается бактериями, как думали раньше. Эукариоты тоже способны заимствовать чужие гены. Кроме того, в геноме многих организмов присутствуют мобильные элементы. При неблагоприятных условиях они активизируются, вызывая вспышки мутаций. Наконец, в период стабильности сохраняются многие мутации, «не мешающие» в данных условиях. Специальный механизм подавляет их проявление. В кризисных условиях этот механизм, весьма вероятно, не работает, что служить еще одним источником роста изменчивости.

Еще один источник быстрых перемен – симбиоз. Так, все эукариоты по сути своей химеры, которые возникли в результате интеграции разных групп бактерий. Лишайники – результат симбиоза грибов и водорослей. Кораллы - симбиоз кишечнополостных с одноклеточными водорослями. Примеров множество!

 

5.4. Эволюция человека

Сейчас на планете остался один вид гоминид. Такая ситуация необычна. Всего 50 тыс. лет назад на Земле существовало, как минимум, два вида: Homo neanderthalensis (N) и Homo sapiens (S) [22].

Анализ ДНК показал, что возраст линий (N) 500-600 тыс. лет. Объем мозга (N) около 1860 куб. см³. Населял Европу и Западную Азию. Пользовался копьями с каменными наконечниками. Возраст древнейших находок S около 130 тыс. лет. Объем мозга (S) меньше, чем у (N) – в среднем 1300 куб. см³. (S) проник в Европу – "исконные земли" (N) 40-35 тыс. лет назад. Обе линии жили на одной территории, занимая одну экологическую нишу, а поэтому вытеснение одной из них было неизбежно.

В начале (N) находились на более высоком уровне социального развития. Об этом свидетельствуют захоронения, которые у (S) в то время не встречались. Физически более крепкие (N) жили небольшими группами, Более мелкие (S) могли эффективно действовать лишь достаточно многочисленной группой, что определило разные направления их эволюции.

По ряду признаков (размер затылочной доли головного мозга и др.) у (N) развивались тенденции, наметившиеся у более древних высших приматов – символическое мышление, основанное на зрительных образах. Естественно, эволюция существующих признаков первоначально шла быстро. Кроме того, гортань (N) и шимпанзе были близки по строению, что свидетельствует о плохо развитой речи.

Линию (S) отличают развитые лобные доли мозга, с которыми связаны аналитическое мышление и речь. Дополнительное преимущество (S) было обусловлено строением нижней части черепа и гортани, которые позволили ему развить речь, необходимую для согласованного действия группы. Новый признак развивался медленнее, но был эффективнее, что и привело в дальнейшем к успеху. Наверное, это основные причины вытеснения неандертальцев.

Современные люди отличаются от ранних Homo sapiens по многим параметрам мозга, и это говорит о продолжении эволюции людей.

Г л а в а 5. Коэволюция биосферы и геосферных оболочек

История Земли начинается с образования земной коры, атмосферы и гидросферы. Наследующих этапах развития формируются гранитный и осадочный слои литосферы, изменяется атмосфера и гидросфера, создаются предпосылки для возникновения жизни, а затем появляется биосфера. Многое в истории Земли интерпретируется не однозначно из-за метаморфизма первичных пород и их недостаточной изученности.

Планета Земля

  Таблица 7. Схема строения Земли (без астеносферы, верхней атмосферы и магнитосферы) Геосферы Мощность,…   Состав и строение коры под континентами и океанами различаются.

Особенности геологической истории

· зарождение жизни (эозой) – время образования устойчивых органических макромолекул, способных к усложнению и воспроизводству; · древняя жизнь(археозой)– появление простейших организмов прокариотов; · ранняя жизнь(протерозой) – распространение аэробных организмов (эукариотов) веществ и появление свободного…

Докембрийский период

Ранний архей. Возникновение протоконтинентальной коры (4,0‑3,15 млрд лет) Породы раннего архея (катархея) обнаружены практически на всех континентах и… В катархее уже существовала гидросфера. К этому времени относят первые осадочные породы. Они обнаружены в Гренландии –…

Нижний и средний рифей. Восстановление единства Пангеи (1,7—1,0 млрд лет)

Таким образом, в раннем протерозое активизация рифтогенеза приводит к глубоким преобразованиям. Накапливается кислород и азот в атмосфере. Повышение… Поздний протерозой. Раскол суперматерика Пангея (1,00 – 0,57 млрд лет) Вновь активизируется рифтогенез. На севере образуются Северо-Американская, Восточно-Европейская и Сибирская платформы.…

Связь массовых вымираний с процессами рифтогенеза

завершение рифтогенеза → сокращение площади внутриконтинентальных морей → уменьшение числа семейств.  

Древнейшие экосистемы

Внутри мата легко различимо чередование трех функциональных слоев: · плотный верхний слой – поверхность роста (1-1,5 мм), в котором есть и… · тонкая подкладка (менее 1 мм) – в ней пурпурные анаэробные бактерии при фотосинтезе используют сероводород, а…

Фанерозой

  Таблица 8. Геохронологическая таблица фанерозоя Эра Длительность эры, млн лет Система (период) …

Палеозойская эра

Каледонский этап. Трансгрессия моря охватила северные платформы, а на Гондване – лишь северо-восточную часть Австралии и район реки Амазонки. В… В гидросфере становится заметно влияние известковых и других водорослей (для… Можно считать, что для данного этапа характерно извлечение карбонатов из океанов в виде известняков.

Мезозойская эра

Происходят крупные изменения в континентальной и океанической биосфере. Широкое распространение получают эпиконтинентальные моря, озера,… Геохимическая среда характеризуется разнообразием кислотных и щелочных…

Кайнозойская эра

В палеогене происходит крупная и последняя трансгрессия моря, которая захватила Средиземноморский геосинклинальный пояс и Западно-Сибирскую плиту,… Перестройка земной коры связана с альпийской складчатостью в неогене.… В антропогене обширные территории Северной Америки, Европы, Азии, Антарктиды покрываются толщей материкового льда.…

Г л а в а 6. Последствия антропогенного влияния на геосферы

Антропогенное влияние на окружающую среду носит планетарный масштаб, а потому решение проблемы требует координации действий государств либо путем…   «В 2002 г. зарегистрированы пробы атмосферного воздуха с превышением ПДК в 5 раз и более в Калининградской,…

Глобальные последствия загрязнения атмосферы

· кислотные дожди и образования смога в крупных городах; · сокращение озонового слоя; · изменение климата.

Санитарно-гигиеническая оценка качества атмосферного воздуха

– органические вещества (акрил, нитрил, бензол, формальдегид, стирол, толуол, винилхлорид), – тяжелые металлы (Cd, Cr, Pb, Mn, Hg, Ni, V), – ряд токсичных элементов и веществ (мышьяк, угарный газ, сероводород, оксиды азота и серы, радон, озон, асбест);

Характеристики уровня загрязнения атмосферы

– ПДКМР – предельно допустимая максимальная разовая концентрация химического вещества в воздухе населенных мест, мг/м3. Эта концентрация при… – ПДКСС – предельно допустимая среднесуточная концентрация химического… Эти величины сравнивают с ПДК, которые установлены для более 400 веществ.

Критерии суммарного загрязнения атмосферы

где Xi – среднегодовая концентрация, ПДКi – среднесуточная ПДК, Ki –… Чтобы ИЗА для различных мест или в разное время были сравнимы, необходимо рассчитывать их определенным образом. Опыт…

Кислотные дожди

Главные кислотообразующие выбросы: · диоксид серы SO2 (сернистый ангидрид или сернистый газ); · оксиды азота NxOy (оксид – NO и диоксид – NO2 азота).

Источники поступления оксидов серы

Природные источники поступления SO2. Ими являются биота, океаны, вулканы и лесные пожары. На долю биоты приходится около 30-40 млн т/год. Поступление связано с… Эмиссия океана оценивается в 50-200 млн т/год. Она обусловлена испарением капель воды, поступающих в атмосферу с…

Источники поступления оксидов азота

Природные поступлениядостигают 30‑50 млн т/год. Они вызваны почвенными бактериями (около 8 млн т/год), лесными пожарами (до 12 млн т/год) и… Антропогенные источникиблизки к природным. Основными являются энергетические…

Механизм образования кислотных осадков

Основная масса диоксида серы (сернистый ангидрит) во влажном воздухе превращается в полигидрат SO2·nH2O, а затем окисляется до серной кислоты 2H2SO3 + O2·= 2H2SO4. Другой путь – образование серной кислоты после фотохимического окисления сернистого ангидрита

Воздействие кислотных дождей на экосистемы и людей

Рис. 25. Воздействие кислотных дождей на биосферу и человека  

Меры по защите окружающей среды от кислотных дождей

· ограничение, постепенное сокращение, предотвращение загрязнения; · обмен информацией, научные исследования, мониторинг. Прежде всего, в Конвенции определены понятия:

Кислотообразующие выбросы мегаполисов

Выделяют три типа смога: · влажный (лондонский); · сухой или фотохимический (лос-анджелесский);

Озоновые дыры

Положение озонового слоя в атмосфере и его роль в биосфере.Содержание озона в атмосфере невелико. Если собрать озон, который находится в столбе… Около 90% озона сосредоточено в слое 15-55 км с максимумом на высоте 20—25 км… O2 + hv ® O + O.

Механизмы разрушения озонового слоя

Азотный фотохимический механизм. Разрушителем являются оксиды азота, которые образуются в мезосфере под влиянием УФИ и реагирует с озоном O3 + NO ® NO2 +O2 NO2 + O ® NO + O2.

Особенности формирования озоновых дыр в полярных областях

В Антарктике озоновые дыры более выражены, чем над Северным полюсом, из-за особенностей метеоусловий. Зимой над Антарктидой формируется зона… Рис. 26. Площадь озоновой дыры над Антарктидой в 2010 г.

Изменение климата

По стандартам Всемирной метеорологической организации, 30 лет – минимальный интервал времени, который позволяет установить изменения климата. Все остальное – погода, величина переменчивая. Текущий цикл начался в 1991 году. Наиболее общей характеристикой климата является температура атмосферного воздуха, но важны и другие показатели: количество осадков, сроки их выпадения и запасы влаги в почве.

Факторы, определяющие климат Земли

Влияние дрейфа континентов или активности Солнца проявляются в течение миллионов лет. Особенности орбитального движения Земли могут приводить к… Однако влияние человека на климат, весьма вероятно, так как его деятельность…  

Особенности орбитального движения Земли

Прецессия. Этот эффект можно наблюдать при вращении волчка, ось которого ось описывает конус. С земной осью происходит то же самое. Период ее… Нутация – это колебания угла наклона земной оси. Сейчас ось наклонена на 23° к… Изменение формы орбиты. Из-за притяжения планет форма земной орбиты со временем меняется от почти круговой до…

Солнечная энергия

На квадратный километр поверхности Земли поступает около 17 500 кДж. Около 30% этой энергии отражается в космос, остальная энергия определяет климат Земли. Поток солнечной энергии на Землю постепенно увеличивается, но скорость изменение составляет около 5% за 1 млрд лет.

 

Вулканы

Сведения о температуре за 1601—1900 гг., полученные по толщине колец деревьев на территории США, свидетельствуют, что после извержений вулканов…

Природные факторы, влияющие на климат Земли

На современный климат Земли существенно влияют: система ветров, глобальные океанические течения и положение континентов.

Система ветров

Воздушные массы, нагретые на экваторе, поднимаются вверх и растекаются на север и юг. Поэтому вблизи экватора господствует зона пониженного… На движение воздушных масс вдоль меридианов влияет сила Кориолиса. Если… На меньшей высоте возникают гигантские вихри – циклоны и ураганы. Их источник – области низкого давления над теплыми…

Морские течения

Северо-восточные и юго-восточные пассаты, которые постоянно дуют в районе субтропиков, гонят огромные массы воды вдоль экватора с востока на запад.… Из Карибского бассейна вдоль Флориды часть потока направляется на север. Так… Потепление климата может сместить зону термогалинной циркуляции к югу, и в Европе похолодает. Причиной может являться…

Тектоника плит

В настоящее время экваториальные поверхностные течения, встречая Северную и Южную Америки, разветвляются и направляются на север и юг,… Другая причина низкой температуры в высоких широтах – снежный покров, альбедо… Совместное влияние процессов горообразования, морских течений и альбедо планеты видно при сопоставлении климата…

Парниковый эффект и аэрозоли

· парниковые газы – потепление; · аэрозоли и облака – охлаждение. Некоторые газы пропускают излучение Солнца, но заметно поглощают тепловое излучение Земли. По аналогии с процессами в…

Основные тенденции изменения климата в истории Земли

  На рубеже архея и протерозоя отмечено одно из первых оледенений в истории… В фанерозое средние температуры, как правило, превышали 20º С (в наше время она немного ниже 14ºС). Разница…

Общая характеристика последствий изменений климата

  Таблица 11. Изменения в атмосфере, климате и биофизической системе Земли в XX веке (по данным 3-го доклада МКЭИК) … По мнению МГЭИК весьма вероятной причиной изменений климата являются выбросы в… Согласно прогнозам МГЭИК дальнейший рост температуры может изменить экосистемы планеты как в положительную, так и в…

Факторы изменения климата, не связанные с антропогенным влиянием

Механизм парникового эффекта.О.Г. Сорохтин из Института океанологии РАН[] отмечает, что прогрев теплиц (по аналогии с которым введено понятие –… Роль океана в глобальном потеплении.Количество СО2 в океане примерно в 60 раз… Другая возможная причина влияния океана − изменение стока СО2 по цепочке: атмосфера → океан →…

Международная политика и глобальное потепление

В 1997 г. принят Киотский протокол, определяющий обязательства стран по ограничению выбросов парниковых газов. Он вступил в силу 1999 г. Развитые… Согласно конвенции 1992 г. многие страны, в том числе и Россия, создали… Деятельность биоты на определенной территории может быть количественно оценена по балансу органического углерода,…

Загрязнение гидросферы

Химическое загрязнение Мирового океана и внутренних водоемов является причиной эволюции гидросферы Земли. В первом случае основным загрязнителем является нефть. Во втором – основную опасность представляет эвтрофикация вод, но есть и другие проблемы, не требующие отлагательств.

Санитарно-гигиенические критерии оценки качества вод

где Сi и ПДКi– среднее значение за год и предельно допустимое содержание… В Росгидромете принята следующая классификация вод по ИЗВ.

Загрязнение морей нефтью и нефтепродуктами

Наибольшую известность получили крушения супертанкеров: «Торри Каньон», 1967 г., в море попало около 100 тыс. т. нефти; «Экссон Валдиз», 1989 г. –… Вклад различных загрязнителей в общие потери нефтираспределяется примерно так:…

Состав нефтепродуктов и их поведение в водоемах

· Парафины (до 90% от общего состава) – устойчивые вещества, молекулы которых выражены прямой и разветвленной цепью атомов углерода. Легкие… · Циклопарафины (30-60%) – насыщенные циклические соединения с 5-6 атомами… · Ароматические углеводороды (20-40%) – ненасыщенные циклические, содержащие в кольце меньше атомов углерода, чем…

Индексы чувствительности побережья к нефтяному загрязнению

· тип берега (строение, уклон, проницаемость пород, уровень приливов и др.); · подверженность воздействию ветра, приливов и отливов; · биологическую продуктивность участка и чувствительность биоты;

Охрана морей и океанов

С 1973 г. капитан судна не может зайти в порт без сертификата исправности корпуса, механизмов и прочей оснастки. Для предотвращения утечек нефти при авариях совершенствуются конструкции… · современные танкеры должны иметь двойное дно;

Загрязнение внутренних водоемов при добыче нефти

В геоморфологическом отношении территория представляет заболоченную равнину с множеством озер. С северо-востока на юго-запад территорию пересекает… Природные воды отличаются малой минерализацией, незначительным содержанием… На площади месторождения повсеместно распространены песчано-глинистые четвертичные отложения мощностью 80-100 м. В их…

Характеристика источников воздействия на окружающую среду

Нефтепродукты (НП) – основная группа загрязняющих веществ. Второй по масштабу загрязнитель – хлориды (ХЛ), поступающие с подтоварной водой. Вкладу… Наиболее вероятные причины аварий: коррозия и износ металла; механические… Техногенный прессинг оценивают по аэрофотоснимкам, на которых определяют: площадь загрязнённой территории, удельное…

Динамика загрязнения нефтепродуктами и хлоридами

Рис. 34. Результаты мониторинга притока р. Ватинский Ёган  

Загрязнение внутренних водоемов

Экологическое состояние водоемов определяется: · распределенными источниками загрязнения, расположенными на территории… · локальными источниками загрязнения (города и промышленные предприятия, расположенные в береговой зоне, вынос…

Эвтрофикация и механизм ее воздействия на экосистемы водоемов

В водоемы кислород поступает тремя путями: фотосинтез, который наиболее интенсивен у поверхности воды, диффузия из атмосферы и с поверхностными… При избыточном содержании биогенов развиваются следующие процессы. – Фосфаты и нитраты стимулируют размножение как автотрофов, так и гетеротрофов, и потребление кислорода возрастает. …

Оценка степени эвтрофикации

Схема классификации озер по степени эвтрофикации (Р.Фолленвайдер) приведена в. табл. 15. Она исходит из ведущей роли фосфора, который, вероятно,…   Таблица 15. Классификация трофии водоемов Класс…  

Предупреждение эвтрофикации

В густо населенных районах основная масса биогенов поступает из точечных источников. Это промышленные и сельскохозяйственные предприятия, а также… В зонах интенсивного земледелия эвтрофикацию вызывают азотные и фосфорные… Эвтрофикацию может вызвать и изменением гидрологического режима водоема. Сильнейшим фактором является снижение…

Примеры решения проблем реабилитации внутренних водоемов

Защита внутренних водоемов базируется на комплексе мероприятий, которые включают не только снижение загрязнения, но и законодательную базу, а также административные меры, обеспечивающие выполнение решений. Ясно, что в каждом конкретном случае необходимо учитывать антропогенную нагрузку, климат и местные традиции.

Ниже рассмотрена практика охраны водоемов в США и России на примере Великих озер Северной Америки и Ладожского озера, которые являются источниками водоснабжения крупных мегаполисов и близки по лимнологическому статусу [32].

Водоемы находятся на стыке кристаллических щитов (Канадского и Балтийского) с платформами, сложенными осадочными породами. Сформированы деятельностью ледников, которые отступили 12 000 лет назад. Сходны по характеру побережий, рельефу дна и контрасту между северной и южной частями, физико-химическим и гидрогеологическим параметрам (табл. 17). Для них характерны устойчивые плотностные циркуляционные течения и однотипные донные отложения. Песчаные осадки преобладают в прибрежной зоне, а алевропилитовые осадки – в глубоководной. Изначально вода в этих озерах была олиготрофна.

 

Таблица 17. Гидрологические и гидрохимические параметры озер
Показатели	Озера
Ладожское	Гурон
Площадь озера, км2
Площадь водосбора, км2
Средняя глубина, м
Объем воды, км3
Период водообмена, лет
pH	6,4-7,1	8,3–8,55
Поступление N, т/год
Поступление P, т/год
Содержание N, мг/л	0,77	0,70
Содержание P, мг/л	0,018–0,026	0,004–0,030

Великие озёра Северной Америки

Великие озёра – это крупнейший пресноводный источник, содержащий около 20% стоячей пресной воды Земли (табл. 18). Все озера разделены между США и Канадой. Исключением является озеро Мичиган, расположенное на территории США.

 

Таблица 18. Характеристики бассейна Великих озер
	Верхнее	Мичиган	Гурон	Эри	Онтарио
Длина, км
Средняя глубина, м
Общая площадь, тыс. км2	82,1	57,8	59,6	25,7
Период водообмена, годы
Площадь водосборного бассейна, тыс. км2
Население, млн чел. (1981 г)	0,74	13,97	2,37	13,97	6,64

 

Масштабы и особенности антропогенного воздействия. Регион является крупным промышленным и сельскохозяйственным центром: здесь проживает 30% населения Канады и 20% населения США (всего около 38 млн чел.); в регионе расположено почти 50% канадских и около 20% промышленных предприятий США [33].

Влияние человека на озёра тесно связано с историей развития района, его геологией и географией. Южную часть региона (оз. Эри и Онтарио) образуют палеозойские осадочные породы. Здесь сформировались крупные промышленные центры (Чикаго, Детройт, Мичиган, Торонто, Буффало, Кливленд) и развито сельское хозяйство. Северная часть (оз. Верхнее и Гурон) расположена на докембрийском щите. Здесь численность населения меньше, а основными видами хозяйственной деятельности является лесоводство и разработка месторождений полезных ископаемых. В результате северные озера остаются близкими к изначальным условиям, а южные озера проявляют признаки деградации.

Обширность Великих озёр выработала иллюзию безграничности их ресурсов, но на практике чрезмерная нагрузка привела к ухудшению состояния водоёмов.

Концепция восстановления озер.В 1909 г. Канада и США подписали Конвенцию о пограничных водах. Она запрещала использовать воду в ущерб здоровью людей или собственности. Главным смотрителем и арбитром в спорах, связанных с загрязнением воды, воздуха, уровнем озёр, работой гидроэлектростанций и другими вопросами, была назначена двухсторонняя Международная совместная комиссия (МСК). Экологические проблемы решаются на основе двусторонних соглашений.

Здоровье людей.В связи с массовыми заболеваниями брюшным тифом МСК в 1912 г. поручила исследовать «загрязнение» Великих озёр. Было установлено, что заболевания вызваны канализационными стоками. К 1930 г. проблему устранили путем переноса водозаборных сооружений в незагрязненные зоны и дезинфекции питьевой воды.

Положительные результаты создали ошибочное мнение, что установка очистных сооружений не является срочной задачей, но спустя 30 лет правительства вновь вернулись к вопросу загрязнения озер.

Эвтрофикация.К 1960 г. обострилась проблема эвтрофикации. Особенно тяжелой была деградация оз. Эри и Онтарио. Часто возникало цветение воды, а скопления разлагающихся водорослей Cladophora на берегах оз. Эри приходилось убирать бульдозерами. Исследование выявило, что ключевым загрязняющим элементом является фосфор, который поступает из трех основных источников: сбросы очистных сооружений, промышленные отходы и сельскохозяйственные стоки.

В 1972 г. было принято Соглашение о повышении качества воды (GLWQA), которое предусматривало в период с 1972 по 1976 г следующие мероприятия:

· снижение сброса фосфора в оз. Эри с 31 до 16 тыс. т/год, оз. Онтарио – с 18 до 10 тыс. т/год;

· ограничение содержания фосфора до 1.0 мг/л в стоках крупных (более 3800 м³) очистных сооружений;

· уменьшение доли фосфора в моющих средствах.

С 70-х годах кислородное обеднение оз. Эри начало уменьшаться, но принятых мер оказалось недостаточно. В 1983 г было решено снизить сбросы фосфора в оз. Эри и Онтарио на 2000 и 430 т/год, а также уменьшить поступление фосфора от распределенных источников в оз. Онтарио и Эри на 80%, в Верхние озера более чем на 50%.

После этого программа дала положительные результаты: в открытых водах состав водорослей изменился в сторону менее автотрофных видов; снизилась масса фитопланктона в прибрежных зонах.

Токсические вещества. В 70-х годах обнаруживается проблема биологической аккумуляции токсикантов. Особую тревогу вызывали стойкие токсиканты, с разнообразными механизмами транспортировки на большие расстояния и аккумулирующиеся в тканях организмов. Потому в 1978 г. была поставлена задача – «восстановить и поддерживать химическую, физическую и биологическую целостность экосистемы Великих озёр».

Для нормализации обстановки были приняты меры::

· ограничить выброс неустойчивых токсикантов до неопасного уровня;

· запретить выброс устойчивых токсикантов, которые аккумулируются биотой;

· контролировать источники загрязнения (места хранения и сжигания отходов, а также свалки).

Даже беглый взгляд показывает огромные масштабы влияния токсических веществ. Содержание ПХБ и ртути в рыбе превышало допустимые для человека нормативы. Установлено снижение репродуктивности и рост врожденных аномалий у водных, наземных и земноводных животных. Распределение химикатов в донных осадках указывало на различные источники поступления. Так, ртуть была связана с промышленными объектами. Размытое распределение веществ (ПХБ, свинец) говорило о важной роли неточечных источников или об атмосферном переносе.

Уникальные характеристики озёр повышают их чувствительность к загрязнению:

– огромная площадь акватории определяет высокий вклад химикатов, поступающих из атмосферы;

– большое отношение площади озер к площади водосборного бассейна означает, что загрязнение поступает практически без фильтрации или разбавления;

– большие глубины затрудняют вымывание токсических веществ и их осаждение.

Тем не менее, управление загрязнением токсикантами было успешным. В 1970 г. устранен основной источник ртути (хлор-щелочное производство). В результате между 1970–1976 гг. содержание ртути в рыбе уменьшилось на 50%. Применение хлорированных органических химикатов и к 1978 г. их содержания в рыбе оз. Мичиган упало на 90%. В 80-х гг. снизился уровень загрязнения донных отложений и биоты. Произошли позитивные изменения в экосистемах (возвратились голые орлы на берега оз. Эри в Канаде).

В 1987 г. была поставлена задача защиты всей экосистемы Великих озёри в Соглашение включен раздел об «экосистемном подходе». Сегодня соглашения 1972, 1978 и 1987 гг. являются основой управления Великими озерами.

Другие проблемы.Несмотря на определенные успехи, сохраняются старые и постоянно возникают новые проблемы, что заставляет совершенствовать систему управления.

За последние 20 лет содержания нитратов и нитритов в озёрах повысилось от 30 до 200%. Это особенно заметно в плотно населенных бассейнах оз. Онтарио и Эри. Пока их содержания меньше ПДК и вредных последствий не наблюдается, но есть опасность их влияния на фитопланктон.

Ускорилась потеря прибрежных заболоченных земель и береговых линий. Так, площадь заболоченных земель оз. Эри сократилась на 70%. Соответственно изменился биологический и химический состав вод, поступающих в озёро. Программы регулирования землепользованием пока лишь предотвратили дальнейшие потери.

Песок, защищающий юго-западный берег оз. Мичиган, стал тонким или исчез. В 1991 г начаты исследования процессов, влияющих на движение песка, чтобы выработать защитные меры.

Вызывает озабоченность флуктуация уровня озер. Изменение климата и забор воды для нужд засушливых регионов могут усугубить эту проблему.

Повышается влияние площадок утилизации и хранения отходов, а также загрязнений грунтовых вод. Значимым становится атмосферный перенос загрязнения от удаленных источников.

В результате коммерческого и спортивного рыболовства, введения новых видов и деградации или потери естественной среды обитания рыба стала мельче, а ее численность снизилась. В озерах начинают доминировать другие виды. Например, ёрш обыкновенный, который попал в бассейн сравнительно недавно с балластной водой. Он питается икрой и малькам окуня и лосося. Угроза для лососевых оз. Верхнее оценивается в 5-10 млн долларов. Моллюск дрейссена речная распространился по всем озёрам и его колонии, иногда, блокируют забор воды. Кроме того, моллюск промежуточный хозяин паразитов многих рыб.

Таким образом,Канада и США в духе сотрудничества решают серьезные экологические проблемы, которые испытывают их общие водные ресурсы: искоренен брюшной тиф, взята под контроль эвтрофизации и снижена концентрация токсичных химикатов. Очевидно, что принятыхмер недостаточно. Сохранение Великих озер на благо будущих поколений возможно лишь при согласованных действиях всех пользователей.

Экологические проблемы Ладожского озера

Источники антропогенного загрязнения на территорию водосбора таковы. Промышленность. Основное воздействие оказывают производства с большими… Лесозаготовительные работы. Они с давних пор влияют на сток и качество вод. Пока меры по восстановлению лесов не…

Антропогенное влияние на литосферу

К основным последствия антропогенного влияния на литосферу следует отнести: · химическое и биологическое загрязнение почв, грунтов; · активизация экзогенных геологических процессов;

Химическое и биологическое загрязнение почв и грунтов

Санитарное состояние почвы это совокупность физико-химических и биологических свойств почвы, определяющих качество и степень ее безопасности в эпидемическом и гигиеническом отношениях. Ее характеристика в населенных местах основывается на санитарно-химических и санитарно-бактериологических показателях, а также на оценке способности почв поддерживать биологическую активность [36].

Санитарно-гигиеническая оценка опасности химического загрязнения почв

  Обоснование ПДК базируется на 4-х показателях вредности, устанавливаемых… · транслокационный – характеризует переход вещества из почвы в растение;

Общая характеристика опасности химического загрязнения

Токсичные вещества - вещества, способные при воздействии на живые организмы приводить к их гибели при следующих концентрациях: средняя смертельная… В ответ на риски, связанные с загрязнением, созданы базы данных об опасных… Международный реестр потенциально токсичных веществ (The International Register of Potentially Toxic Chemicals ,…

Тяжелые металлы

Ниже рассмотрены элементы: Hg, Pb, Cd, Cr и Fe. Их выбор определяется следующим: · первые три элемента относятся к 1 классу опасности, причем, если ртуть и… · пример хрома показывает, что определенные химические соединения обычно безопасного элемента могут вызывать тяжелые…

Пестициды.

В зависимости от поражающего действия эти вещества делят так: · гербициды - уничтожение сорной растительности; · фунгициды - против паразитических грибов;

Поступление веществ в город

Промышленные и другие изделия используются либо в самом городе, либо направляются другим потребителем. Основная масса поступивших ресурсов, так или… – газовые выбросы и аэрозоли загрязняют атмосферу; – коммунально-бытовые или промышленные стоки сбрасывается в природные водотоки;

Состояние воздушного бассейна

Концентрация загрязняющих веществ в расчете на единицу поверхности в многофункциональных городах с населением более 100 тыс. человек примерно… Особенностью является дифференциация загрязнения. Воздух чище в периферийных… Загрязнение атмосферы стационарными и мобильными источниками существенно отличается. От 60% до 96% эмиссии…

Загрязнение водного бассейна

Если коммунально-бытовые и промышленные сбросы расположены выше водозаборов других пользователей, возникают дополнительные экологические риски,…

Твердые и концентрированные отходы

Класс опасности отходов устанавливается по степени возможного вредного воздействия на окружающую природную среду при непосредственном или…   Расчет класса опасности отходов основан на показателе, который равен

Биогеохимические процессы на полигонах ТБО и их использование

· В верхнем аэробном слое толщиной до 1,5 м органика окисляется, образуя простые соединения: CO2, H2O, NO3–, SO4–2 и др. Здесь же окисляется часть… · В переходной зоне бактерии восстанавливают нитриты и нитраты до… · Основной объем свалки занимает анаэробная зона, в которой микробиологические процессы протекают при содержании…

Полигон ТБО, как источник метана

Сравнительный анализ источников метана (табл. 24) показывает, что вклад полигонов ТБО соизмерим с потерями при добыче природного газа, которые…

Техногенное изменение литосферы в городах (на примере Москвы)

Влияние города на литосферу носит сложный характер и определяется особенностями геологической обстановки, историей развития города, особенностями застройки и многими другими факторами. Ниже рассмотрены особенности техногенного изменения литосфере в крупнейшем городе России – Москве. Здесь вмешательство человека разнообразно, последствия воздействия выражены, а геологическая обстановка отличается сложностью [42].

Геологическая среда территории Москвы

Наиболее древние породы, которые находятся в зоне инженерной деятельности, относятся к каменноугольному периоду и представлены морскими отложениями… Особенности гидрогеологической обстановки.Водоносные комплексы и горизонты… Песчано-глинистые и глинистые отложения мезозоя и кайнозоя отличаются фильтрационной неоднородностью в плане и…

Влияние хозяйственной деятельности на гидрогеологические условия

Во-первых, подсыпки грунтов и нивелировка местности привели к исчезновению более 100 рек и ручьев, что изменило условия стока. Во-вторых, появились дополнительные источники питания грунтовых вод (утечки,… Результатом явилось повышение уровня грунтовых вод, которое вызывает:

Воздействие на окружающую среду разработки месторождений

Полезных ископаемых

Открытыми горными выработками добывают многие руды, уголь и строительных материалов. Глубина карьеров может достигать несколько сотен метров, а… Подземные горные работы меньше воздействуют на ландшафты, но и в этом случае… Обогащение и последующий более глубокий передел товарной горной массы связан с отводом территорий под отвалы бедных…

Эколого-геологические условия и ресурсы района оз. Баскунчак

· соляные купола (Северо-Баскунчакский, Южно-Баскунчакский, Вактаусский, Кубатаусский); · впадины (Баскунчакская, Долбанская). Купола представляют толщу каменной соли мощностью более 600 м, в кровле которой залегают гипсовые породы – кепрок…

Экологические неблагоприятные процессы, обусловленные добычей солей и гипса

  Рис. 41. Динамика добычи солей на оз. Баскунчак (правая шкала, тыс. тонн/год)

Рекомендации по рациональному освоению ресурсов

Принятые меры отвечали практике охраны питьевых источников водоснабжения. Зона санитарной охраны [47] должна включать три пояса: 1. строгого режима, в который входит территория источника водоснабжения; 2. защиты от микробного загрязнения – соответствует расстоянию, которое пройдут подземные воды за 400 суток (время…

Радиационная безопасность

Тем не менее, существует реальная опасность для населения, связанная с ионизирующим излучением природных источников, и потенциальная опасность,…

Характеристики величин и единиц в области ионизирующих излучений

Активность пропорциональна числу ядер радионуклида N и зависит от λ – постоянной (вероятности) распада [c-1] A = где N0 = 6,023·1023 – число Авогадро, m – масса радионуклида, A – его атомное число.

Воздействие излучения на человека

Система радиационной безопасности исходит из возможности: · соматических эффектов, которые имеют некий дозовый порог и характеризуются… · стохостических эффектов, которые имеют вероятностную природу – это раковые опухоли, лейкозы, наследственные болезни…

Основные принципы нормирования дозовых нагрузок

  Таблица 24. Вероятность потери трудоспособности или смерти в течение года на 1 мЗв (по данным МКРЗ [48]) при годовой…   Степень безопасности природных источников ИИ для населения ранжирована так:

Радиоактивность окружающей среды. Источники радиоактивного облучения

· природные источники, которые существуют на протяжении всей истории Земли; · техногенное загрязнение радионуклидами естественного происхождения; · радионуклиды, образованные в результате работы АЭС, ядерных взрывов.

Месторождения полезных ископаемых, как источник радиоактивного загрязнения

Месторождения твердых полезных ископаемыхпо активности ЕРН разделяют четыре категории опасности. В табл. 28 приведены предельные значенияАэфф для…   Таблица 27. Классификация месторождений по степени…  

Атомная энергетика и радиационная безопасность

Основные составляющие ядерно-топливного цикла (рис. 51): · добыча и переработка урановой руды; · изготовление топливных элементов;

Радиационная обстановка в районах ядерных взрывов и аварий

Первые ядерные испытания (США – 1945 г. и СССР – 1949 г.) выявили серьезную опасность радиоактивного загрязнения окружающей среды, особенно,… Краткая характеристика радиационной обстановки, связанной с ядерными взрывами,…

Облучение от источников, применяемых в медицине

При лечении заболеваний исходят из минимально необходимых доз. Для лица, помогающим тяжелобольным, допустима доза 5 мЗв/год.

Последствия ядерных аварий

· на английском заводе «Силлафилд» (Уиндскайл) в 1957 г. погибли 13, заболели 260 человек; · на атомной электростанции в Уиндскайле (Великобритания); · дважды на хранилищах атомных отходов на Южном Урале (СССР);

Южно-Уральский след

С 50-х годов за персоналом ПО «Маяк» ведутся медицинские наблюдения, которые принципиально важны. Во-первых, тогда дозы ряда работников превышали… Река Теча. Дозы облучения жителей достигали 1500 мЗв. Выявлено 940 лиц с… Аварии в 1957 г. Около 150 солдат охраны получили дозы порядка 1 Зв. У них были обнаружены изменения количества…

Авария на Чернобыльской атомной электростанции

Во время аварии серьезному облучению подверглось более 200 работников АЭС и пожарных. Из 84 человек, получивших дозы более 2 Гр, погибло 27, более… Сразу после аварии эвакуировано более 100 тыс. жителей, а позднее еще около…

Результаты радиационно-гигиенической паспортизации опасных объектов

  Таблица 28.Структура коллективных доз в различных регионах РФ в1998 г., в % Зона Область Природные …   Сопоставление разных факторов индивидуального риска (табл. 30) показывает, что основные угрозы связаны с несчастными…