Лекции для студентов

Самостоятельно по учебникам:

1.Л.И. Цветкова и др. Экология. 1999;

2.Экология. Под ред. Денисова. 2004;

3.Н.И. Николайкин и др. Экология. 2003;

4.Ю.Л. Хотунцев. Экология и экологическая безопасность. 2004;

5.А.Е.Кузнецов, Н.Б. Градова. Научные основы экобиотехнологии. 2006;

6.Экология, охрана природы, экологическая безопасность .Под ред. А.Т.Никитина, С.А. Степанова. 2000.

Искусственные экосистемы — это антропогенные экосистемы. Проследим черты сходства антропогенных экосистем с природными и их отличия на некоторых примерах.

Город. Любой город, особенно промышленный, является гетеротрофной экосистемой, получающей энергию, пищу, воду и другие вещества с больших площадей, находящихся за его пределами. Город отличается от природных гетеротрофных систем. Существование индустриального города поддерживается колоссальным притоком энергии, при этом возникает и огромный отток в виде теплопродукции, промышленных и бытовых отходов. Большинство городов имеет «зеленый пояс», т. е. автотрофный компонент (газоны, кустарники, деревья, пруды, озера и т.п.). Однако органическая продукция этого зеленого пояса не играет заметной роли в снабжении энергией механизмов и людей, населяющих город. Городские леса и парки представляют лишь эстетическую и рекреационную ценность, смягчают колебания температуры, уменьшают загрязнения и шумовое воздействие, являются местом обитания птиц и мелких животных. Но труд и горючее, затрачиваемые на их содержание, увеличивают расходы на жизнь города. Без огромных поступлений извне пищи, горючего электричество и воды люди погибли бы или покинули город. Хотя площадь суши, занятая городами, не так уж и велика (1 — 5 %), но воздействуя на обширную среду на входе и выходе, они изменяют водные пути, леса, поля, атмосферу и океан. Город может влиять на удаленный лес не только непосредственно загрязнением воздуха или спросом на продукты леса и древесину, но и изменяя состав деревьев в нем. Например, спрос на бумагу оказывает экономическое давление, т.к. естественные леса, состоящие из деревьев разных пород и возраста, превращаются в плантации деревьев одного вида и возраста. Гектар города потребляет в тысячи раз больше энергии, чем такая же площадь сельской местности. Образующиеся в результате функционирования города тепло, пыль и другие вещества, загрязняющие воздух, заметно изменяют климат городов. В городах теплее, повышена облачность, меньше солнца, больше тумана, чем в прилегающей сельской местности. Строительство городов стало основной причиной эрозии почвы. Размеры загрязнения среды на выходе города зависят от интенсивности его жизнедеятельности и степени технического развития. Отсутствие очистных сооружений для сточных вод и выбросов в атмосферу, переработки твердых отходов приводят к сильному воздействию на среду в окрестностях города в виде кислых дождей, бытовых и промышленных отбросов.

Город практически не производит пищу, только перерабатывает ее, не очищает воздух, почти не возвращает в круговорот воду и органические вещества и находится в симбиотических отношениях с окружающей местностью. Он производит и вывозит товары и услуги, деньги и культурные ценности, обогащая этим сельское окружение, также получая взамен услуги и пищу. Город не имеет экологии независимой от окружающей сельской местности. Изучать взаимодействия человека и среды только в застроенной части города — слишком узко.

Город можно рассматривать как экосистему только в том случае, если учитываются его обширные среды на входе и выходе. Одно из имеющихся препятствий для такого подхода — порочное административное разделение между городом и сельской местностью. Необходимо ставить общие интересы выше частных, т.е. управление городом и областью должно осуществляться как, единой функциональной экологической системой.

Агроэкосистемы. В отличие от городов, существенную часть агроэкосистем составляют автотрофные компоненты, или «зеленый пояс». Агроэкосистемы отличаются от естественных экосистем (лес, луг, поляна), работающих только на энергии Солнца. Они получают дополнительную энергию в виде мышечных усилий человека и животных, удобрений, пестицидов, орошающей воды, горючего, механизмов, машин и т. д. Для максимизации выхода какого-либо продукта человек резко снижает разнообразие организмов. Виды растений и животных подвергаются искусственному, а не естественному отбору. Сельское хозяйство использует только 30 % свободной от льда суши планеты: около 10 % пахотные земли и приблизительно 20 % — пастбища.

Условно агроэкосистемы можно разделить на два типа.

Агроээкосистемы доиндустриального периода используют дополнительную энергию виде мышечных усилий человека и животных. Они поставляют продукт питания в основном для семьи фермера и частично на местный рынок.

Интенсивные механизированные агроэкосистемы получают энергетические дотации в виде горючего, химикатов работы машин. Эти системы производят продукты питания в основном на рынок; продукты питания превращаются в товар, играющий важную роль в экономике.

Доиндустриальные системы сельского хозяйства часто называют примитивными и направленными только на выживание. Тем не менее, они бывают очень эффективными, если оценивать их по количеству произведенной пищи на единицу затраченной энергии. К тому же они часто хорошо гармонируют с природными экосистемами. Многие механизированные агроэкосистемы потребляют часто не меньше энергии чем возвращают в виде продуктов питания. Однако даже хорошо приспособленные доиндустриальные системы, эффективно использующие энергию, часто не могут производить достаточного количества избыточных продуктов питания, чтобы прокормить огромные города.

Таким образом, неиндустриализованное сельское хозяйство эффективно расходует энергию, но оно менее продуктивно (в пересчете количества продукции на одного фермера). Как правило, такие агроэкосистемы дают меньший урожай на единицу площади, чем интенсивное механизированное сельское хозяйство. Выигрывая в одном, человек проигрывает в другом — ничто не дается даром. Поскольку в развитых странах интенсивность энергетических субсидий и урожай, по-видимому, достигли максимума, повышение вкладов в сельское хозяйство может привести к уменьшению выхода продукции (отрицательная обратная связь). Поэтому в будущем следует ожидать изменений в сельскохозяйственной стратегии.

Космический корабль. Автономный космический корабль, предназначенный для длительных путешествий, представляет собой миниатюрную экосистему, включающую человека. Он должен иметь все жизненно важные абиотические вещества и средства для их регенерации и многократного использования. Все пилотируемые космические корабли в настоящее время снабжены модулями жизнеобеспечения запасающего типа. В них частично осуществляется регенерация воды и воздуха физико-химическими методами. Покидая Землю, люди должны иметь четко ограниченную закрытую систему, которая обеспечивала бы все их жизненные потребности, а в качестве энергии использовала энергию солнечного излучения. Такой космический корабль должен быть снабжен системами полной регенерации всех жизненно важных абиотических компонентов (факторов), позволяющих их многократное использование. В нем должны осуществляться сбалансированные процессы продуцирования, потребления и разложения организмами или их искусственными заменителями. По сути, такой автономный корабль будет представлять собой микро экосистему, включающую человека.

Сочетание в одной системе людей, водорослей и бактерий в настоящее время не возможно. Для регенерационных экосистем, которые могли бы долгое время находиться в космосе, ничего не получая с Земли, потребовались бы крупные организмы, которые могли бы использоваться человеком в пищу, значительное видовое разнообразие их и большие емкости для воздуха и воды. В экосистему космического корабля пришлось бы включить также нечто подобное сельскохозяйственным или другим растительным сообществам. Основная задача, которую предстоит решить, — это чем заменить буферную способность атмосферы и океана, благодаря которой стабилизируются и поддерживаются условия жизни в биосфере в целом. На Земле на 1м² суши приходится более 1000 м² буферной емкости атмосферы и почти 10 000 м² океана плюс большие объемы растительности (рис. 2.15).

Атмосфера, океан и растительность выполняют роль накопителей и регенераторов отходов. При длительном пребывании человека в космосе часть этой буферной функции должны взять на себя механические устройства, работающие на солнечной и атомной энергии. Однако на современном этапе развития невозможно создать безопасную и надежную закрытую экологическую систему жизнеобеспечения даже для использования ее на Земле. Создать миниатюрную модель биосферы, т. е. искусственную экосистему без притока и оттока вещества и энергии, с полной регенерацией отходов и регуляцией условий, для использования ее в космосе сложно и очень дорого, если учитывать количество горючих ископаемых, которое придется затратить на вывод в космос всех компонентов такой системы. Некоторые ученые (например, физик Дж. О’Кейл (1977) предсказывали, что в 21 веке возникнут космические поселения, обеспечиваемые функционированием тщательно отобранной биоты, свободной от паразитов и других непродуктивных организмов. Для поддержания таких поселений можно будет использовать солнечную энергию и минеральные богатства спутников планет Солнечной системы. Однако на таком спутнике неизбежно возникнет проблема загрязнения среды, а также социальные, экономические и политические проблемы.