Загрязнение природы и ...

Несмотря на многообразие экологических факторов и различную природу их происхождения, существуют некоторые общие правила и закономерности их воздействия на живые организмы.
Для жизни организмов необходимо определенное сочетание условий. Если все условия среды обитания благоприятны, за исключени-ем одного, то именно это условие становится решающим для жизни рассматриваемого организма. Оно ограничивает (лимитирует) развитие организма, поэтому называется лимитирующим фактором. Первоначально было установлено, что развитие живых организмов огра-ничивает недостаток какого-либо компонента, например, минеральных солей, влаги, света и т.п. В середине XIX века немецкий химикорганик Юстас Либих первым экспериментально доказал, что рост растения зависит от того элемента питания, который присутствует в относительно минимальном количестве. Он назвал это явление законом минимума; в честь автора его еще называют законом Либиха.
В современной формулировке закон минимума звучит так: выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей. Однако, как выяснилось позже, лимитирующим может быть не только недостаток, но и избыток фактора, например, гибель урожая из-за дождей, перенасыщение почвы удобрениями и т.п. Понятие о том, что наравне с минимумом лимитирующим фактором может быть и максимум, ввел спустя 70 лет после Либиха американский зоолог В.Шелфорд, сформулировавший закон толерантности. Согласно закону толерантности лимити-рующим фактором процветания популяции (организма) может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, а диапазон между ними определяет величину выносливости (предел толерантности) или экологическую валентность орга-низма к данному фактору (рис. 3).

Итак, видовое разнообразие сообщества обеспечивает стабиль-ность экосистем. Равновесие экосистемы определяется равновесием составляющих ее популяций. Это динамическое равновесие складыва-ется в процессе длительного взаимодействия популяций и является результатом адаптации популяций друг к другу.
Рассмотрим, как реагирует та или иная популяция на изменение условий окружающей среды.
Существуют два принципиально разных типа изменений условий окружающей среды: медленное, постепенное, не приводящее к нарушению равновесия в экосистеме, и стрессовое, вызывающее нарушение равновесия вплоть до разрушения и уничтожения экосистемы.
Рассмотрим сначала реакцию популяций на изменения первого типа. Она может быть двоякой: либо происходит биологическая эволюция данного вида, либо из данного вида образуются два или более новых. В основе того и другого процессов эволюции и видообразования лежит естественный отбор.
Естественный отбор и эволюция. Популяции многих видов приспосабливаются к изменению условий окружающей среды путем изменения своего генетического состава. У разных особей одного вида гены неидентичны. Эти генетические разнообразия помогают приспособиться и сохраниться многим видам.
Процесс, посредством которого определенные гены и комбинации генов в популяциях воспроизводятся чаще других, называется естественным отбором.. Чарльз Дарвин, впервые выдвинувший эту идею в 1858 году, определил естественный отбор как выживание наиболее приспособленных. Это означает, что выживают особи с наиболее приспособленными к существующим условиям окружаю-щей среды генетическими свойствами, в среднем дающие большее потомство в следующем поколении.
Виды, которые часто дают многочисленное мелкое потомство с короткой продолжительностью жизни, могут приспосо-биться к изменениям условий окружающей среды путем естественного отбора за очень короткий срок, как это делают сорные травы, насекомые, грызуны, бактерии.
Другие виды, такие, как слоны, тигры, акулы, человек, имеют длительный период воспроизводства и малочисленное потомство. У таких видов адаптация к изменениям окружающей среды занимает обычно тысячи и миллионы лет.
Окончательные изменения в генетической структуре попу-ляции, вызванные переменой условий окружающей среды и происшедшие в силу разной способности к размножению и естественного отбора, называются биологической эволюцией или просто эволюцией. Рассмотрим механизм эволюции.
До сих пор строгого, точного и однозначного ответа на вопрос: "что такое жизнь?" никто дать не может. Однако всякое живое вещество всегда и везде обладает по крайней мере тремя свойствами: 1) воспроизводимостью, то есть способностью порождать себе подобное; 2) наследственностью - способностью передавать родительские черты детям; 3) изменчивостью, то есть способностью к изменению - мутации.
Роль этих факторов в живой природе неоценима. Без воспроизведения жизнь перестала бы существовать. Без наследственности не было бы преемственности между поколениями и, значит, видовые особенности родителей не передавались бы детям. Наконец, без мутации не было бы изменчивости и развитие жизни не пошло бы дальше ее первоначальных форм.
Напомним кратко механизм образования мутаций, так как они лежат в основе более общего механизма эволюции живого вещества.
Ткани любого живого организма состоят из клеток. В ядре каждой клетки находятся нитевидные хромосомы, представляющие собой гигантские молекулы ДНК (их общая протяженность в организме человека достигает до 1011 км) в соединении с молекулами белков. Отдельные участки хромосомы, ответственные за те или иные наследственные изменения, называются генами. Различный порядок сле-дования генов в молекулах ДНК кодирует различные свойства будущего организма - его генотип. Генотип каждого индивидуума уникален, что и определяет его непо-хожесть на других (идентичный генотип в природе имеют только однояйцевые близнецы).
При делении клетки сначала делятся хромосомы: каждая из них удваивается и образует совершенно одинаковые хромосомы, которые тут же расходятся. После деления хромосом делится ядро, а затем остальное вещество клетки и обе половины оформляются в самостоятельные клетки. Из одной клетки возникают сначала 2 со-вершенно одинаковых, затем 4, 8, 16 и т.д.
Процесс удвоения хромосом чрезвычайно строг, это исключительно точный и безошибочный механизм: при зарождении организма из одной клетки развива-ются миллионы с совершенно одинаковыми наборами хромосом. Однако в мире нет ничего абсолютного, имеется предел точности и у такого процесса. Иногда в этом процессе что-то нарушается - происходит случайный сбой, "опечатка" при копировании хромосомы и наследственная информация, которую несет хромосома, случайно становится "чуть-чуть" иной. Процесс случайного изменения хромосомы получил название мутации.
Причины природной мутации могут быть самые разные: тепловые колебания молекул, радиация, температура, химические воздейст-вия и просто случайные помехи в процессе удвоения хромосом. Когда "мутированная" хромосома удваивается, она повторяет структуру, полученную в результате мутации. Следовательно, наследство мутированной хромосомы также мутировано. А далее действует принцип усиления. По мере развития организма происходят многократные де-ления клеток и в итоге генмутант оказывается продублированным примерно 1015 раз. Таким образом, в процессе становления живого организма случайные изменения генетической наследственной програм-мы оказываются многократно усиленными. Тем самым случайные из-менения на атомномолекулярном уровне переходят на макроуровень - фенотип. Фенотип - это совокупность внутренних и внешних признаков организма: анатомических, физиологических, психологических, поведенческих и т.п. На этом уровне вступает в действие механизм естественного отбора живых организмов. Закон естественного отбора действует в природе очень жестко: уничтожает те организмы, которые в результате случайной мутации оказались неприспособленными, а из тех, которые оказались в той или иной мере приспособленными к ус-ловиям обитания, отдает предпочтение более приспособленным, а менее приспособленных, как правило, также уничтожает. Природа ни о ком и ни о чем не заботится. Все дело в жестком принципе отбора наиболее приспособленных; иной мудрости, иной стратегии у природы нет.
Таким образом, если мутации обеспечивают случайное отклонение организма от исходного состояния, то естественный отбор как бы оценивает результат этого отклонения. Случайные мутации в соче-тании с естественным отбором представляют собой движущую силу эволюции.
С точки зрения эволюции мутации, безусловно, полезны. Более того, они необходимы. Огромное разнообразие генов у каждого вида, а также многообразие существующих на Земле видов - все это следствие многочисленных мутаций, которые происходили на протяжении многих миллионов лет и происходят поныне.
С точки зрения отдельных организмов мутации, как правило, вредны, в отдельных случаях даже смертельны. Причина этого заключается в том, что каждый организм есть результат длительной эволю-ции, он чрезвычайно тонко приспособлен к окружающей среде и далеко не каждое изменение его структуры, вызванное мутацией, идет ему впрок. Скорее наоборот. Для улучшения высокоорганизованного организма нужны мутации специального характера, которые встречаются крайне редко, и может пройти много времени, прежде чем нужная с точки зрения приспосабливаемости новая мутация будет найдена. Может случиться так, что за время, пока она произойдет, организмы этого вида вымрут, причем не столько из-за отсутствия нужной мутации, сколько из-за избытка ненужных и вредных, воздействующих на жизненно важные органы и функции организма и снижающих или даже разрушающих его приспособленность, имеющуюся ранее.
Таким образом, случайные мутации столь же вредны, как и необходимы. Вид, у которого мутации возникают слишком часто, на-пример в результате радиоактивного заражения или химического за-грязнения среды обитания, может исчезнуть потому, что многие его представителимутанты станут неприспособленными к окружающей среде. Если, напротив, у данного вида мутации происходят слишком редко, то при какомнибудь значительном изменении внешних условий у вида не окажется необходимого запаса изменчивости, он не сможет быстро приспособиться и также погибнет. По одной из гипо-тез так, по-видимому, относительно недавно вымерли мамонты, не сумевшие приспособиться к быстрым изменениям климата на Земле во время ледникового периода.
Видообразование. Сейчас на Земле существуют около 5 млн ви-дов живых организмов, около 1,5 млн из них известны ученым и опи-саны. Виды возникли в результате взаимодействия на протяжении миллиардов лет двух процессов. Один из них - образование видов. При изменении условий окружающей среды в результате внутреннего отбора возникают новые виды, хорошо приспособленные к этим условиям. Другой процесс - вымирание. В изменившихся условиях при-родной среды многие виды, не сумевшие генетически к ним адаптиро-ваться и нормально размножаться, перестают существовать.
Биологи считают, что примерно 94 - 99 % когда-либо существовавших на Земле видов вымерли. Однако тот факт, что сейчас на Земле насчитывается около 5 млн видов (по другим оцен-кам около 30 млн) расценивается как преобладание процесса образования видов над вымиранием.
Видообразование может происходить несколькими путями:
1) в результате изменения в одной генетической линии;
2) путем постепенного расхождения линий потомков на два и более видов в ответ на изменение условий среды. Такой путь видообразования характерен для тех случаев, когда популяции одних и тех же видов распространились по ареалам с различным климатом, источниками питания, почвами и т.п. и остались там на длительное время, обычно время жизни от 1000 до 100000 поколений, например, в результате геологического раскола одного участка суши на два раздельных острова, изменения русла реки, поднятия горного массива;
3) в результате миграции части группы, например, в поисках пищи.
Со временем изолированные группы популяций, находясь в различных условиях местообитания, начинают вследствие естественного отбора генетически сильно отличаться. При достаточно длительной изоляции в совершенно разных условиях особи двух разных популя-ций, даже если займут один и тот же ареал, уже не будут способны к скрещиванию. Таким образом, из одного вида образовались два раз-ных вида. У многих быстро размножающихся организмов видообразование может занять тысячи или даже сотни лет, однако в большинстве случаев на это требуется от десятков тысяч до миллионов лет.
Биологическое разнообразие. В результате естественного отбора за миллиарды лет появился самый ценный "ресурс" планеты - биологическое разнообразие (биоразнообразие). Оно включает в себя два взаимосвязанных понятия: генетическое разнообразие и видовое разнообразие. Генетическое разнообразие - это многообразие генетических свойств у особей одного вида. Видовое разнообразие - это число различных видов внутри какоголибо сообщества организмов.
Невероятное генетическое разнообразие на нашей планете позволяет видам непрерывно изменяться. Каждый ныне существующий вид представляет собой накопленную генетическую информацию, которая позволяет ему приспособиться к определенным изменениям окружающей среды. Биоразнообразие - это "страховая политика" природы против катастроф. Сохранение генофонда планеты, а значит и биоразнообразия, одна из важнейших задач человечества.
Воздействие человека на окружающую его природную среду может рассматриваться в разных аспектах в зависимости от цели изучения этого вопроса. С точки зрения экологии представляет интерес рассмотрение воздействия человека на экологические системы под углом зрения соответствия или противоречия действий человека объективным законам функционирования природных экосистем. Исходя из взгляда на биосферу как глобальную экосистему, все многообразие видов деятельности человека в биосфере приводит к изменениям: состава биосферы, круговоротов и баланса слагающих ее веществ; энергетического баланса биосферы; биоты. Направленность и степень этих изменений таковы, что самим человеком им дано название экологического кризиса. Современный экологический кризис характеризуется следующими проявлениями:
- постепенное изменение климата планеты вследствие изменения баланса газов в атмосфере;
- общее и местное (над полюсами, отдельными участками суши) разрушение биосферного озонового экрана;
- загрязнение Мирового океана тяжелыми металлами, сложными органическими соединениями, нефтепродуктами, радиоактивными веществами, насыщение вод углекислым газом;
- разрыв естественных экологических связей между океаном и водами суши в результате строительства плотин на реках, приводящий к изменению твердого стока, нерестовых путей и т.п.;
- загрязнение атмосферы с образованием кислотных осадков, высокотоксичных веществ в результате химических и фотохимических реакций;
- загрязнение вод суши, в том числе речных, служащих для питьевого водоснабжения, высокотоксичными веществами, вклю-чая диоксины, тяжелые металлы, фенолы;
- опустынивание планеты;
- деградация почвенного слоя, уменьшение площади плодородных земель, пригодных для сельского хозяйства;
- радиоактивное загрязнение отдельных территорий в связи с захоронением радиоактивных отходов, техногенными авариями и т.п.;
- накопление на поверхности суши бытового мусора и промышленных отходов, в особенности практически неразлагающихся пластмасс;
- сокращение площадей тропических и северных лесов, ведущее к дисбалансу газов атмосферы, в том числе сокращению концентрации кислорода в атмосфере планеты;
- загрязнение подземного пространства, включая подземные воды, что делает их непригодными для водоснабжения и угрожает пока еще мало изученной жизни в литосфере;
- массовое и быстрое, лавинообразное исчезновение видов живого вещества;
- ухудшение среды жизни в населенных местах, прежде всего урбанизированных территориях;
- общее истощение и нехватка природных ресурсов для развития человечества;
- изменение размера, энергетической и биогеохимической роли организмов, переформирование пищевых цепей, массовое размножение отдельных видов организмов;
- нарушение иерархии экосистем, увеличение системного однообразия на планете.

Powered by Drupal - Design by artinet