Биосфера и человек: структуры, экосистемы, взаимоотношения организма и среды; экология и здоровье человека

1. Биосфера и человек:  структуры, экосистемы, взаимоотношения  организма и среды; экология и здоровье человека.

Экология -  наука об отношениях живых организмов и образуемых ими сообществ между собой и с окружающей средой. Термин «экология» предложен в 1866 Э. Геккелем. 

Экология, как комплекс наук, тесно  связана с такими науками, как  биология, химия, математика, география, физика, эпидемиология, биогеохимия. Человеческая активность меняет характер окружающей среды, причем в большинстве случаев, эти изменения оказывают негативное влияние на человека. И нетрудно понять, почему: за миллионы лет его организм приспособился к вполне определенным условиям обитания. Но в тоже время любая деятельность - промышленная, сельскохозяйственная, рекреационная - источник жизни человека, основа его существования. Значит, человек неизбежно и дальше будет менять характеристики окружающей среды. А потом - искать способы приспосабливаться к ним.

Существование цивилизации на нашей  планете неразрывно связано с  природными условиями. Она возникла тогда, когда человек научился использовать огонь и другие средства и орудия, позволявшие ему изменять среду обитания. Экология приобрела практический интерес уже на заре человечества. Первобытный человек, борясь за выживание, должен был иметь определенные знания о видах животных, их повадках, местах обитания. Появившись на планете, человек на всех стадиях развития влиял на среду обитания сначала как просто биологический вид, затем как охотник, имеющий специальные орудия. Выжигая леса, собирая съедобные виды растений, он влиял на природу через усиление естественно идущих процессов и формирование антропогенных ландшафтов.

Происходившие в результате хозяйственной  деятельности изменения природных  условий тогда еще не были велики и носили локальный характер. Тем не менее они вели к эрозии почв, их засолению, опустыниванию, а в конечном итоге к региональным экологическим кризисам и исчезновению цивилизаций, их создавших.

Экологическая ситуация вызывает необходимость  оценивать последствия любой  деятельности, связанной вмешательством в природную среду. Необходима экологическая экспертиза всех технических проектов. Наша задача всеми доступными методами стимулировать всякую инициативу и предприимчивость, направленную на создание и внедрение новейших технологий, способствующих решению любых экологических проблем.

Наиболее высокой формой организации  материи является живая материя. Живая материя имеет довольно сложную и до конца не понятую  организацию, но в ее основе лежат  гигантские макромолекулы. Молекулярная форма организации материи представляет собой мельчайшие элементарные соединения, сохраняющие определенные химические свойства вещества. Количество различных типов молекул по-видимому исчисляется сотнями тысяч. Молекулы в свою очередь состоят из более элементарных объектов - атомов. Атом имеет относительно простую структуру и состоит из атомного ядра и электронов.

Значение растительности в природе  и жизни человека очень велико. Зелёные растения благодаря фотосинтезу  и выделению  обеспечивают существование  жизни ни Земле. Фотосинтез - сложный биохимический процесс, в котором растения посредством  зелёного пигмента хлорофилла, используя энергию солнечного света, синтезируют богатые энергией органические вещества из диоксида углерода и воды. В результате происходит преобразование солнечной энергии в энергию химических связей. Растения- продуценты органических веществ в биосфере, они служат основой трофических пирамид, обеспечивая существование других организмов.

Экосфера - природный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания, связанными между собой обменом веществ и энергии. Одно из основных понятий экологии, приложимое к объектам разной сложности и размеров.

Земля и окружающая ее среда сформировались в результате закономерного развития всей Солнечной системы. Около 4,7 млрд лет назад из рассеянного в протосолнечной системе газопылеватого вещества образовалась планета Земля. Как и другие планеты, Земля получает энергию от Солнца, достигающую земной поверхности в виде электромагнитного излучения. Солнечное тепло — одно из главных слагаемых климата Земли, основа для развития многих геологических процессов. Огромный тепловой поток исходит из глубин Земли.

Биосфера — внешняя оболочка Земли, в которую входят часть  атмосферы до высоты 25—30 км (до озонового слоя), практически вся гидросфера и верхняя часть литосферы примерно до глубины 3 км. Особенностью этих частей является то, что они населены живыми организмами, составляющими живое вещество планеты. Взаимодействие абиотической части биосферы — воздуха, воды и горных пород и органического вещества — биоты обусловило формирование почв и осадочных пород. Последние, по В. И. Вернадскому, несут на себе следы деятельности древних биосфер, существовавших в прошлые геологические эпохи.

Человечество в своем стремлении к улучшению условий существования постоянно наращивает темпы материального производства, не задумываясь о последствиях. Например, современный человек увеличил объем привычных для природы загрязнений настолько, что она не успевает их перерабатывать. Мало того, он стал вырабатывать такие загрязнения, для переработки которых в природе пока нет соответствующих видов, а для некоторых загрязнений, к примеру радиоактивных, их никогда и не появится. Поэтому «отказ» биосферы перерабатывать плоды человеческой деятельности неизбежно будет действовать как все более нарастающий ультимативный фактор в отношении человека. Поэтому будущее человека как биологического вида предсказуемо: экологический кризис и снижение численности.

Учение о биосфере, как об активной оболочке земли, в которой совокупная деятельность живых организмов (в том числе человека) проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба и значения, создано В.И. Вернадским в 1926 году.

Понятие биосферы впервые было введено  австрийским ученым геологом Эдуардом Зюссом в 1875 году. Понятие биосферы имеет два аспекта: с одной стороны как специфическая оболочка земного пространства, с другой - как глобальная экосистема. С точки зрения составляющих компонентов биосфера - это нижняя часть атмосферы, гидросфера и верхняя часть литосферы, населенные живыми организмами, или по выражению Владимира Ивановича Вернадского - "область распространения живого вещества".

Владимир Иванович Вернадский (1864-1945) - является основоположником научного направления, названного им биогеохимией, которое легло в основу современного учения о биосфере.

Исследования В.И. Вернадского привели  к осознанию роли жизни и живого вещества в геологических процессах. Облик Земли, ее атмосфера, осадочные  породы, ландшафты — все это результат жизнедеятельности живых организмов. Особую роль в становлении лика нашей планеты Вернадский отводил человеку. Он представил деятельность человечества как стихийный природный процесс, истоки которого теряются в глубинах истории.

Будучи выдающимся теоретиком, В.И. Вернадский стоял у истоков таких новых и общепризнанных ныне наук, как радиогеология, биогеохимия, учение о биосфере и ноосфере, науковедение.

Внешние оболочки Земли развиваются в тесной взаимосвязи между собой. Основные их составляющие газ, жидкие и твердые вещества, перемешиваясь, переходят из одного состояния в другое. Поэтому в местах соприкосновения оболочек наблюдается постоянное их взаимодействие.

К примеру, понаблюдаем взаимоотношения  между атмосферой и биосферой.

 Воздух является необходимым условием для жизнедеятельности всех организмов. Люди и животные дышат кислородом воздуха, растения поглощают углекислый газ, производя органические вещества. Вместе с тем, состав газов в атмосфере тесно связан с жизнью организмов. 

 Живые организмы подвергают верхний слой атмосферы сложным изменениям. Они участвуют в процессе выветривания горных пород. Остатки растений и животных создают в земной коре органические горные породы. В свою очередь, различные вещества земной коры входят в состав организмов. Верхний слой литосферы является жизненной средой для организмов.

Атмосфера и литосфера также  тесно взаимосвязаны.

Атмосфера нагревается от солнечных  лучей, попадающих на земную поверхность. В этой связи появилась закономерность изменения температуры воздуха в тропосфере с высотой. Пыль и другие мелкие частицы, поднимающиеся с земной поверхности, влияют на прозрачность воздуха и на условия нагревания верхнего слоя земной поверхности. Вокруг поднявшихся в воздух мелких частиц сгущаются водяные пары, образуются облака и т. д.

Взаимодействие земных оболочек бывает не только двусторонним, но многосторонним.

 В результате тесного контакта  и взаимовлияния атмосферы, литосферы  и гидросферы сформировалась  особая оболочка Земли - географическая  оболочка. Она создает необходимые условия для появления и развития жизни на Земле. На современном этапе развития Земли живые организмы достигли такого уровня, что составляют отдельную оболочку - биосферу.

2. Некоторые экологические аспекты нефтяных и газовых загрязнений и пути их предотвращения.

Азот как  индикатор качества жизни и его  значение на здоровье человека.

Азот является крупнейшим резервуаром  и предохранительным клапаном атмосферы.

Азот имеет важнейшее значение для жизнедеятельности всех организмов. Он входит в состав аминокислот, из которых состоят белки,  нуклеиновых кислот, витаминов и т.д.  В живых организмах содержится в среднем 3% азота.

Запасы азота на Земле  огромны. Только в  атмосфере его содержание  составляет по объему 78%. Однако, как это ни  парадоксально, запасы азота в Биосфере крайне ограничены, а от его недостатка страдают многие  живые организмы.  Это обусловлено тем, что практически весь атмосферный азот содержится в молекулярной форме (N₂). Молекулярный азот не ядовит (иначе Земля была бы необитаемой), однако не поддерживает   жизненных  процессов.

Основная функция и способность  азота – образовывать пептидные  связи и формировать все разнообразие белков, а также участвовать в  составе множества биологически активных гетероциклов. Азот необходим всем живым организмам для синтеза азотсодержащих строительных блоков - аминокислот, из которых образуются белки и нуклеиновые кислоты.

Накапливающийся в растениях связанный  азот усваивается гетеротрофными организмами. Он используется для синтеза аминокислот и других азотсодержащих соединений, из которых затем образуются белки и другие жизненно важные органические вещества. Организмы в  процессе  жизнедеятельности выделяют во внешнюю среду продукты азотистого обмена – аммиак, мочевую кислоту и мочевину, которые вновь включаются  в круговорот азота.

Сам по себе атмосферный азот достаточно инертен, чтобы не оказывать непосредственного  влияния на организм человека и млекопитающих. Тем не менее, при повышенном давлении он вызывает наркоз, опьянение или удушье (при недостатке кислорода); при быстром снижении давления азот вызывает кессонную болезнь.

Многие соединения азота очень  активны и нередко токсичны

     Углекислый газ, его свойства и роль в регуляции температуры земной поверхности.

Жизнь на Земле миллиарды лет развивалась при высокой концентрации углекислоты. И углекислый газ стал необходимым компонентом обмена веществ. Клеткам животных и человека углекислого газа нужно около 6—7 процентов.

Углекислый газ, газ без цвета, обладает кислым запахом и вкусом (что используется в производстве газированной воды), растворим в воде, при сильном охлаждении кристаллизуется в виде белой снегообразной массы — «сухого льда». При атмосферном давлении он не плавится, а испаряется, температура сублимации −78 °С. Углекислый газ образуется при гниении и горении органических веществ. Содержится в воздухе и минеральных источниках, выделяется при дыхании животных и растений. Мало растворим в воде (1 объём углекислого газа в одном объёме воды при 15 °С).

Диоксид углерода играет одну из главных ролей в живой природе, участвуя во многих процессах метаболизма живой клетки. Диоксид углерода получается в результате множества окислительных реакций у животных, и выделяется в атмосферу с дыханием. Углекислый газ атмосферы — основной источник углерода для растений. Однако, ошибкой будет утверждение, что животные только выделяют углекислый газ, а растения — только поглощают его. Растения поглощают углекислый газ в процессе фотосинтеза, а без освещения они тоже его выделяют.

Огромную роль в регуляции температуры приповерхностных слоев воздуха играет углекислый газ. Углекислота свободно пропускает солнечные лучи к земной поверхности, но поглощает большую часть теплового излучения планеты. Она является колоссальным экраном, препятствующим охлаждению нашей планеты. Сейчас содержание в атмосфере углекислого газа не превышает 0,03%. Если эта цифра уменьшится вдвое, то среднегодовые температуры в средних широтах снизятся на 4–5˚С, что может привести к началу ледникового периода. По некоторым данным концентрация СО2 в атмосфере была в ледниковые периоды примерно на треть меньше чем в межледниковья и морская вода содержала диоксида углерода в 60 раз больше чем атмосфера.

        Озон, его роль в регулировании потока радиации. Значение озонового щита и кислорода на снижение ультрафиолетовой радиации

В популярной литературе слой озона  очень часто называют волшебным  щитом планеты. Это сравнение  связано с оптическими свойствами молекулы озона, которые отличаются от свойств как составляющих его  атомов (когда они существуют по отдельности), так и двухатомных молекул O2.

Спектр поглощения озона обладает несколькими важными особенностями, главной из них является способность  сильно поглощать излучение в  интервале длин волн 200–320нм.

В целом же эффект волшебного щита именно таков – очень тонкий (всего 2-3 мм!) слой молекул O3 практически полностью поглощает идущее от солнца излучение в области УФ-Б. Начиная примерно с l =320нм солнечное излучение уже доходит до поверхности, хотя точную границу по очевидным причинам назвать невозможно – переход происходит постепенно, а проникновение излучения зависит от многих факторов – таких, как высота Солнца над горизонтом, чистота или запыленность атмосферы, высота места над уровнем моря и т.д.