Тема 8. Антропогенный фактор как группа экологических факторов, возникшая вследствие человеческой деятельности. Его характеристика и влияние на живые системы

Антропогенным фактором называют совокупность экологических факторов и воздействий, обусловленных человеческой деятельностью в экосистемах и биосфере в целом.

Виды антропогенных влияний на живые организмы. Взаимовлияние антропогенных факторов. Человек издавна оказывал влияние на природу, воздействуя как на отдельные виды растений и животных, так и на сообщества в целом. Но лишь в текущем столетии рост населения, а главным образом качественный скачок в развитии науки и техники привели к тому, что антропогенные воздействия по своему значению для биосферы вышли на один уровень с естественными экологическими факторами планетарного масштаба. Преобразования ландшафтов в города и иные поселения человека, в сельскохозяйственные угодья и промышленные комплексы охватило уже более 20 % территории суши. Количество перемещаемого в процессе производственной деятельности вещества в наше время на порядок выше величин естественных рельефообразующих процессов. Расход кислорода в промышленности и транспорте составляет в масштабе всей биосферы порядка 10 % планетарной продукции фотосинтеза; в некоторых странах техногенное потребление кислорода превышает его производство растениями. В наши дни воздействие человека на природные системы становится направляющей силой дальнейшей эволюции экосистем.

Эксплуатация природных ресурсов может иметь разные экологические последствия. Принято делить ресурсы на неисчерпаемые и исчерпаемые. К первым относятся ресурсы космического масштаба, такие, как солнечная радиация, энергия морских приливов и т. п., источник которых не подвержен влиянию со стороны человека. Можно лишь говорить о количественных изменениях, вносимых его деятельностью, например снижение притока солнечной радиации к поверхности Земли, связанное с загрязнением атмосферы. Масштабы такого загрязнения подчас могут быть сопоставимы с результатами интенсивной вулканической деятельности в прошлые эпохи.

К неисчерпаемым относятся и водные ресурсы планеты: в масштабе всей гидросферы запасы воды остаются неизменными. Но в конкретных регионах обмеление реки озер, связанное с гидростроительством, созданием оросительных сетей и другими формами хозяйственной деятельности, ставит проблему пресной воды на одно из первых мест. Практически неисчерпаемые ресурсы вод Мирового океана подвергаются крупномасштабному изменению в результате загрязнения нефтью и другими веществами, что вносит подчас существенные изменения в состав и структуру водных экосистем.

Нередко говорят о климатических ресурсах, также относя их к неисчерпаемым. По-видимому, трактовка климата как ресурса не точна; правильнее говорить о комплексе климатических факторов, также подверженном определенным влияниям промышленной и иной деятельности человека.

Исчерпаемые ресурсы включают запасы каменного угля, торфа, нефти и других полезных ископаемых, темпы использования которых несравненно выше, чем скорость естественного накопления, если таковое имеет место в современной биосфере. Эту группу ресурсов относят к невозобновимым; рациональное отношение к ним заключается в разумном ограничении их эксплуатации и в разработке альтернативных форм энергии и материалов. Проблема эта практически выходит за границы экологических.

Гораздо большее значение имеет влияние человека на возобновимые ресурсы (также относящиеся к исчерпаемым). К этой группе относятся все формы живого и биокосного вещества: почвы, растительность, животный мир, микроорганизмы и т. д. Характерной чертой возобновимых ресурсов является их способность к самовоспроизводству, временные масштабы которого сопоставимы с темпами их изъятия из биосферы в результате эксплуатации и других форм человеческой деятельности. Совокупность возобновимых ресурсов -не что иное, как глобальная экосистема Земли; она существует на основе фундаментальных закономерностей экологии. Для того чтобы эксплуатация биологических ресурсов была разумной и способствовала действительному прогрессу социальной, культурной и научно-технической жизни человечества, нужно четко представлять себе механизмы влияния различных сторон деятельности человека на природные системы, знать закономерности реакции биологических объектов на антропогенные воздействия и на этой основе переходить к управлению экосистемами с целью поддержания их устойчивости и продуктивности.

Эксплуатация биологических ресурсов. Катастрофические результаты влияния человека на природу впервые были восприняты через список истребленных человеком видов растений и животных. Масштабы такого влияния впечатляющи; только за историческое время зарегистрировано исчезновение более 100 видов крупных млекопитающих и примерно такое же количество видов и подвидов птиц.

Главные причины уничтожения птиц и млекопитающих - неумеренная охота и борьба с вредителями. При этих формах воздействия вымирание видов шло главным образом через нарушение механизмов воспроизводства популяций из-за резкого снижения их численности и плотности. Однако не меньшее число видов исчезло с лица земли по чисто экологическим причинам, таким, как коренное изменение свойственных виду биотопов, нарушение биоценотических связей в виде появления новых хищников, возбудителей болезней и т. п.

Борьба с вредными последствиями переэксплуатации биологических ресурсов - задача экологическая. Она предусматривает изучение параметров популяций эксплуатируемых видов и разработку на этой основе норм воздействия промысла, не нарушающих, а, напротив, стимулирующих репродукцию в масштабах, полностью компенсирующих уровень промыслового изъятия. Вторичные последствия в виде упрощения структуры экосистем и снижения уровня биологического разнообразия также основываются на экологических закономерностях. Соответственно и мероприятия по восстановлению устойчивости экосистем должны базироваться на экологической основе. Охрана природы в наше время уже не может ограничиваться только "запретительными" мерами (частичный или полный запрет охоты или иных форм эксплуатации конкретных ресурсов, создание сети заказников, заповедников и т. п.). Современные знания достаточны для активных форм воздействия на природные системы вплоть до искусственного конструирования экосистем с заданными свойствами в антропогенно-нарушенных ландшафтах.

Загрязнение биосферы. Различного рода загрязнения атмосферы, почвы и гидросферы определяются выбросом промышленных, бытовых и сельскохозяйственных отходов, содержащих вещества, не имеющие природных разрушителей и обладающие токсическим действием на живые организмы. В самом общем виде можно сказать, что такие формы влияния на биосферу целиком определяются несовершенством технологических процессов и незнанием закономерностей круговорота веществ в природе.

Промышленное влияние на атмосферу включает изменение ее естественного газового состава - уменьшение содержания кислорода и существенное увеличение двуокиси углерода. По некоторым подсчетам, в развитых капиталистических странах суммарное количество потребляемого кислорода, включая его промышленное использование, более чем в 1,5 раза превышает его продукцию растениями на территории этих стран. Острота этой проблемы смягчается глобальностью процессов обмена газов в атмосфере в целом,

Более опасным представляется процесс постепенного накопления в атмосфере СО₂, в большом количестве высвобождаемого в различных промышленных процессах. На фоне уменьшения лесных площадей прогрессивное развитие промышленности и транспорта сдвигает баланс СО₂ в атмосфере в сторону его увеличения. По некоторым расчетам к концу текущего - началу следующего столетия концентрация СО₂ в атмосфере возрастет от 0,03 до 0,038-0,041 %, Уже сейчас локально концентрация СО₂ может увеличиваться до больших величин, например, зимой в воздухе над Парижем эта величина составляет до 0,071 %! Прогнозируемый результат процесса возрастания содержания СО₂ в атмосфере-так называемый "парниковый эффект": подсчитано, что удвоение современного содержания СО₂ вызовет повышение температуры на поверхности Земли на 4°С. Это существенно скажется на изменениях климата, уровня Мирового океана, характера живого населения планеты и т. д. По разным прогнозам этот пороговый уровень концентрации CO₂ может быть достигнут в сроки от 160 до 500 лет.

Наряду с изменением естественного соотношения газов в составе атмосферы, в последнее время наблюдается прогрессирующее загрязнениe ее пылью и газообразными веществами промышленных выбросов. В частности, весьма опасными оказываются кислотные выбросы, а также токсичные газы. Подсчитано, что тепловая электростанция средней мощности только за час выбрасывает а атмосферу около 5 т сернистого ангидрида и 16-17 т золы. Вокруг химических и металлургических комбинатов от вредных выбросов погибают леса, болеют люди и животные. В частности, остро стоит проблема загрязнения воздуха оксидом углерода СО, выделяемым при работе двигателей внутреннего сгорания. Особенно опасно накопление этого газа в городах с их интенсивным автомобильным движением. Помимо СО в выхлопных газах содержатся такие токсичные компоненты, как оксиды азота, углеводороды, сернистый газ, свинец и др. Пылевые загрязнения атмосферы помимо прямого патологического воздействия на дыхательные органы человека и животных снижают проницаемость атмосферы для солнечного излучения, а также участвуют в возникновении "парникового эффекта".

Промышленная деятельность человека приводит и к загрязнению почв. Основные компоненты такого загрязнения - промышленные и бытовые отбросы, отходы строительства, зола тепловых электростанций, отвалы пустой породы в местах разработки полезных ископаемых и т. п. Эти загрязнения не только скрывают под собой плодородный слой почвы, но и содержат ряд химических элементов, которые в больших количествах токсичны для растений и микроорганизмов: сера, молибден, медь, кадмий, цинк, мышьяк, алюминий, фтор и многие другие.

При геолого-разведочных работах составные части промывочных жидкостей, используемых при бурении (каустическая сода, хлорид натрия), а также дизельное топливо, битум засоряют почвы и ведут к их засолению. В большинстве случаев это приводит к локальной гибели растительности.

Загрязнение почвы происходит и в результате сельскохозяйственной деятельности. Просачивание жидкого навоза из хранилищ на свинофермах загрязняет почвы и грунтовые воды. То же происходит при неправильном хранении минеральных удобрений, гербицидов, ядохимикатов, предназначенных для борьбы с вредителями, и т. п. Особая форма "биологического" засорения почв связана с внесением в нее с фекалиями домашних животных яиц гельминтов и патогенных микроорганизмов. Это особенно характерно для пастбищ, приусадебных участков. Попадая из почвы в грунтовые воды, загрязнители проникают в водную среду.

Большую экологическую опасность представляет широкое применение ядохимикатов в сельском хозяйстве, при озеленительных работах в городах и т, д. Рассчитанные на борьбу с вредными насекомыми и сорняками, пестициды (от лат. pestis - чума, cidо - убивать) ядовиты и для многих других живых организмов, а также для человека. Поэтому при использовании пестицидов в широких масштабах нарушается общая структура биоценоза и свойственные ему регуляторные механизмы. В ряде случаев зафиксировано парадоксальное явление - применение ядохимикатов приводило к повышению численности вредителей за счет уничтожения их естественных врагов и паразитов. Передаваясь по пищевой цепи, токсиканты способствуют гибели хищных зверей и птиц, а также накапливаются в пищевых продуктах, потребляемых человеком. Поиски выхода их этой острой проблемы видятся в двух направлениях: создание инсектицидов и гербицидов узконаправленного действия и разработка биологических (биоценотических) методов ограничения численности вредных в данных условиях видов.

Одной из острейших проблем современности стало загрязнение пресных вод. Рост численности населения и прогрессивное развитие различных отраслей промышленности ведут к нарастающим масштабам загрязнения рек, озер и других континентальных водоемов бытовыми и промышленными стоками. Многие из веществ, входящих в состав сточных вод, токсичны для человека и многих других живых организмов. В частности, весьма губительны для большинства гидробионтов отходы целлюлозно-бумажной промышленности. В водоемах, принимающих сточные воды таких предприятий, погибает почти все население беспозвоночных животных и рыб. Положение усугубляется тем, что окисление древесной массы связывает большое количество кислорода, приводя к общему дефициту его в водоеме (характерно, что в таких водоемах быстро формируются сообщества на базе цианобакгерий и некоторых других прокариот, устойчивых к фенолам и иным токсикантам. Это подчеркивает высокую приспособляемость на уровне экосистем, но человек воспринимает такие водоемы как мертвые).

Среди промышленных выбросов особую опасность для живого населения водоемов представляют нефтепродукты, кислоты, поверхностно-активные вещества, соли и различного рода токсиканты. "Букет" этих загрязнений вносит существенные изменения в водные экосистемы. Не говоря уже о гибели гидробионтов от токсичных выбросов, сток промышленных вод меняет степень солености водоема, величину рН, кислородный режим и многие другие параметры водной среды. Все это, как правило, ведет к обеднению видового состава водных биоценозов, снижению их продуктивности и устойчивости. Во многих водоемах загрязнение промышленными и сельскохозяйственными отходами приводит к замене основных промысловых рыб на менее ценные. Так, в большинстве озер и рек Европы сиговые, лососевые и осетровые рыбы оказываются в особо неблагоприятных условиях и постепенно замещаются более короткоцикличными карповыми и окуневыми (плотва, лещ, окунь, ерш).

Дополнительным источником загрязнения водоемов стали "кислые дожди", особенно характерные для Восточной Европы. Так, летом 1982 г. в Беларуси атмосферные осадки имели рН 5,5, а в Прибалтике --4,7. На примере горных озер Швеции установлено, что при снижении рН воды от 5,5 до 5,0 из состава ихтиофауны исчезают хариус, арктический голец, налим. В озерах, где рН воды ниже 4,7-4,5, рыб практически нет.

Бытовые стоки, богатые органикой, ведут к повышению эвтрофикации водоемов (обогащению биогенными веществами), неблагоприятно сказывающейся на их кислородном режиме и продуктивности. На базе обилия органических веществ идет усиленное развитие фитопланктона ("цветение воды"), многих других гидробионтов, прибрежных зарослей высшей растительности. Но зато возникает дефицит кислорода, расширяется глубинная зона с анаэробным обменом, накоплением сероводорода, аммиака и т. д. Это ведет к гибели ценных видов рыб и ухудшению питьевых качеств воды; многие эвтрофированные водоемы теряют хозяйственное значение. Засорение пресных водоемов особенно опасно на фоне общей нехватки пресной воды.

Засорение пресных вод имеет и более отдаленные последствия. Нарушения водных экосистем снижают уровень биологической самоочистки вод. В результате часть загрязнений попадает в морские водоемы.

Впрочем, воды Мирового океана загрязняются и более прямым путем. Многие акватории служат местами бесконтрольного сброса различных (в том числе и радиоактивных) отбросов. Даже центральные части Атлантического океана, по наблюдениям известного путешественника Тура Хейердала, сильно засорены отбросами с различных судов.

Особенно широко распространено и весьма опасно загрязнение морских вод нефтепродуктами. Широкие масштабы транспортировки их в танкерах повышенного тоннажа почти всегда сопровождаются потерями нефтепродуктов (хотя бы при промывке емкостей), а в ряде случаев - авариями с выбросом огромных количеств нефти и ее производных. Подсчитано, что в наши дни в воды Мирового океана попадает до 10 млн. т нефти и нефтепродуктов ежегодно. Покрывающие поверхность воды нефтяные пленки нарушают обмен газами, теплом, влагой между гидросферой и атмосферой. В результате нарушаются условия существования планктона и других гидробионтов. В случаях аварий появление "нефтяных островов" вызывает катастрофическую по масштабам гибель водных птиц и многих других животных. Углеводородные компоненты нефти и продуктов ее переработки токсичны для многих беспозвоночных и для рыб, которые ими питаются.

Описаны и случаи пестицидного отравления морских рыб. Пестициды, попадая в воду, легко разносятся течениями. Результаты сказываются в уменьшении масштабов рыбного промысла. Так, в 40-х годах нашего столетия уловы сардины у калифорнийского побережья Тихого океана составляли 800 тыс. т., но уже к началу 60-х годов промысел почти закончился: рыба погибла от ДДТ, применявшегося в сельском хозяйстве.

Изменение ландшафтов. В современных условиях антропогенное изменение ландшафтов представляет собой наиболее мощный и постоянный фактор, оказывающий влияние на видовой состав, структуру и экологические связи в экосистемах. В процессе антропогенного освоения природных комплексов происходит изменение условий существования как отдельных видов, так и целых сообществ. Экологические механизмы влияния преобразования ландшафта на биоценозы известны пока лишь в самых общих чертах. В схеме можно говорить о следующих главных направлениях этого процесса:

1. Антропогенные изменения ведут к обеднению видового состава и упрощению биоценотических связей в экосистеме; упрощение почти всегда связано со снижением устойчивости систем как к внешним воздействиям, так и к нарушениям динамического равновесия внутрисистемных взаимосвязей.

2. Связанное с деятельностью человека введение в исходный тип ландшафта элементов мозаичности увеличивает биологическое разнообразие и усложняет связи в биоценозе; это повышает устойчивость антропогенных биоценозов такого типа.

3. Антропогенные ("культурные") ландшафты всегда в чем-то несут черты, свойственные каким-либо естественным. Это определяет их пригодность и даже привлекательность для организмов определенных жизненных форм. На этом строится формирование биотических комплексов антропогенных экосистем.

Вместе взятые, эти свойства антропогенно измененных ландшафтов определяют дифференцированную реакцию живых организмов на новые условия и лежат в основе антропогенных сукцессии преобразуемых человеком экосистем.

Одна из наиболее обычных форм антропогенного изменения ландшафта - его упрощение, создание "ландшафтной монотонности" и на этой основе - разрушение сложных экосистем с заменой их более простыми. Особенно наглядно это видно на примере введения монокультур в сельском и лесном хозяйстве. В условиях монокультур резко обедняется видовой состав растительного сообщества, а вслед за этим и животного населения исходного биоценоза. Если, например, в степи распахивается и засевается пшеницей большой массив земли, то при этом возникает "культурная степь", в которой сохраняются принципиальные особенности рельефа, почвы, теплового и влажностного режимов и других ландшафтных параметров степной экосистемы, но сложный травостой заменяется одним видом злаковых, монотонно распределенным по всей площади. Остальные виды растений, а вместе с тем и большое число видов животных, связанных с ними в естественной степи, выбывают из состава экосистемы. Они или отступают в нераспаханные участки, или - в наиболее остром варианте - вымирают. Но сохранившиеся виды получают в измененной среде дополнительные условия для наращивания численности (изобилие пищи, упрощение и несовершенство биоценотических регулирующих механизмов). Резкий подъем численности таких видов воспринимается человеком как вредная деятельность, изымающая часть урожая возделываемых культур. Так возникает проблема вредителей; она целиком основывается на упрощении структуры и функции экосистем.

Несомненно, на изменении экосистем сказываются не только вносимые в них новые элементы, но и преобразование самих исходных сообществ под действием хозяйственной деятельности. В открытых ландшафтах это, в частности, относится к влиянию животноводства, вызывающего перестройки типа растительности, а соответственно и животного населения. Во всех случаях принципы антропогенных перестроек биоценозов основываются на разнокачественности видов исходного сообщества по их реакции на вносимые человеком изменения.

Тема 9. Популяция как елементарная единица изучения экосистем. Основы демэкологии (екологии популяций)

Популяция. Основные характеристики. Кривые выживания. Популяцией называют наименьшую экологическую единицу вида - совокупность особей одного вида, живущих на одной территории длительное время и свободно скрещивающихся.

Основные характеристики: полная численность, плотность расселения, генетическая структура, данные о вероятности выживания, тип пространственного распределения особей, возрастное распределение особей (демографическая пирамида), способ размножения и плодовитость, социальная организация.

Кривыми выживания называются зависимости количества выживших особей популяции от их возраста. Бывают трех типов. Тип 1 характерен для видов с низкой детской смертностью, комфортными условиями жизни (дрозофилы в лабораторных условиях, жители развитых стран Запада), и лишь в старости смертность резко возрастает. Тип 2 (популяция гидры) характеризуется постоянно высокой смертностью потомства на протяжении всей жизни. Тип 3 (с высокой смертностью молодых организмов (рыбы, насекомые, паразиты) и стабильным выживанием взрослых особей.

Основы теории динамики популяций. Одной из основных задач экологии является прогноз изменений состояния популяций, расчеты их численности в будущем. Этим занимается популяционная экология.

Колебания численности dN популяций характеризуются такими показателями, как коэффициент рождаемости a, коэффициент смертности b, эмиграция и иммиграция. Пренебрегая двумя последними факторами, уравнение динамики численности можно представить так:

dN = aNdt - bNdt, или dN / dt = aN - bN,

где aNdt - прирост в результате размножения,

bNdt - убыль в результате смертности.

При равных коэффициентах a и b изменение численности представляет собой экспоненту:

N(t) = N₀ exp(a - b) t,

где N₀ - исходная численность популяции.

При улучшении условий среды численность возрастает до тех пор, пока не достигнет максимума (количество особей, которое способна прокормить среда обитания популяции). После полного исчерпания ресурсов среды наступает падение численности (коллапс), завершающееся достижением популяцией минимальной численности. С этого момента вследствие уменьшившейся нагрузки ресурсные возможности среды обитания возрастают и происходит увеличение численности до нового максимального значения (более низкого, т.к. среда не успевает восстановиться полностью). Подобные колебания численности продолжаются до тех пор, пока не достигается равновесная численность. Таким образом, вкратце динамку численности популяции в условиях изменения условий среды можно представить так: рост численности ® коллапс ® : ® стабилизация.