Экологические проблеммы

Инженерная экология – сравнительно новое направление экологической науки, изучающее взаимодействия техники и природы, закономерности формирования региональных и локальных природно-технических систем и способы управления ими в целях защиты природной среды и обеспечения экологической безопасности. Инженерная экология призвана обеспечить соответствие техники и технологий промышленных объектов экологическим требованиям. В сферу промышленной экологии входит комплекс взаимосвязанных задач: 
 
- регламентации экологически безопасного производственного освоения территорий, размещения и строительство хозяйственных объектов; оптимизация отраслевой структуры производства; 
 
-  определение допустимой техногенной нагрузки на территории, контроль и регламентация материально-энергетических потоков производства и техногенных эмиссий от различных инженерных объектов; 
 
-  экологизация производства, создание энерго- и ресурсосберегающих и малоотходных технологий, экологически чистых материалов и продуктов производства; 
 
- экологическая безопасность территориальных промышленных комплексов, производственных процессов, сооружений, машин и изделий; 
 
- инженерно-экологическое обеспечение производства, разработка методов инженерно-экологической профилактики, восстановления и реконструкции ландшафтов. 
 
Инженерной экологии приходится часто иметь дело с воздействием экологических факторов и различных живых организмов на инженерные объекты. 
 
Сельскохозяйственная экология  в своей значительной части сливается с биологическими основами земледелия (агроэкология) и животноводства (экология сельскохозяйственных животных). Экосистемный подход обогащает агробиологию принципами и средствами рациональной эксплуатации земельных ресурсов, повышения продуктивности и получения экологически чистой и биологически полноценной продукции. 
 
Биоресурсная и промысловая экология изучает условия, при которых эксплуатация биологических ресурсов природных экосистем (лесов, континентальных водоёмов, морей и океана) не приводит к их истощению и нарушению, утрате видов, уменьшению биоразнообразия. В задачи этой дисциплины входят также разработка методов восстановления и обогащения биоресурсов, научное обоснование интродукции и акклиматизации растений и животных, создание заповедников. 
 
Экология поселений и коммунальная экология это разделы прикладной экологии, посвящённые особенностям и влияниям различных факторов искусственно преобразованной среды обитания людей в жилищах, населённых пунктах, в городах (урбаноэкология). 
 
Медицинская экология область изучения экологических условий возникновения, распространения и развития болезней человека, в том числе острых и хронических заболеваний, вызванных природными факторами и неблагоприятными техногенными воздействиями на среду. Медицинская экология включает в качестве отдельного раздела рекреационную экологию – отдыха и оздоровления населения. 
 
Из перечисленных разделов экологии видно, что экологизации подверглись многие науки и сферы практической деятельности. В их пограничных зонах возникают новые дисциплины. Например, геоэкология тесно взаимодействует с биогеографией – наукой  о географическом распределении организмов, многие разделы этих дисциплин накладываются друг на друга. Это можно сказать и об экологии человека, с одной стороны, социологии и антропологии – с другой. По системной совокупности объектов «большая экология» это одна из самых синтетических наук, требующая универсальной подготовки и глубоких профессиональных знаний. 
 
 
 
2.4. Системные связи в биосфере 
 
Среди форм взаимоотношений между организмами разных видов в природе главное место занимают взаимодействия, которые обобщённо могут быть обозначены как «пища – потребитель пищи» или «ресурс – эксплуататор». Сюда относятся такие явления, как отношения хищника и его жертвы, поедание травы фитофагами, паразитизм на теле хозяина и т.д. Взаимодействие в каждой из таких пар можно представить в виде контура прямых и обратных связей. Примером здесь могут служить взаимодействия численности особей в популяциях хищника (Х) и его жертва (Ж) (рис.2.2). 
 
 
 
 
                           ─                              +            
 
                +                             ─     
Рис.2.2. Системная связь жертва-хищник 
Они связаны положительными и отрицательными причинными зависимостями. Знаки (+) и (-) в данном случае обозначают не качественный результат связи, не «хорошо» или «плохо», а однонаправленность (+) или противонаправленность (-) изменений. Чем больше численность популяции жертвы, тем больше пищи для хищников и численность их возрастает (положительная прямая связь, +), но чем больше хищников, тем больше они уничтожают жертв и численность жертв уменьшается (отрицательная обратная связь, -). 
 
Если речь об одном виде хищника и одном виде жертвы, то хищник не в состоянии уничтожить всех жертв, поскольку при снижении плотности жертв затраты энергии на их поиск и охоту начинают превышать энергетическую ценность пойманной жертвы. Основная часть жертв обычно избегает встречи с хищником. В целом такой контур имеет отрицательный знак (-), «плюс и минус дают минус». Это означает, что система способна сама себя поддерживать, хотя и колеблется около какого-то более или менее стабильного уровня. Можно предположить, что в какой-то период количество жертв уменьшилось потому, что в предыдущем периоде оно увеличилось. Каждый из связанных таким образом членов системы становится причиной своего собственного поведения во времени. Рассмотрим поведение более сложного контура.

Предположим, что под влиянием какого-то внешнего фактора, например, благоприятной температуры или  попадания в водоём питательных  веществ началось усиленное развитие водорослей – фитопланктона. Это  приводит к уменьшению запасов минеральных  веществ в воде и росту количества животных – от зоопланктона до рыб. Вызванное этим явлением чрезмерное  выедание  фиотопланктона приводит через определённое время к ограничению размножения животных. Временное повышение биомассы гидробионтов ведёт к нарастанию массы детрита. Будучи пищей для бактерий, детрит вызывает усиленное их размножение и преобразуется ими в минеральные продукты. Цикл замыкается, контур в целом имеет отрицательный знак.  В данном случае сама система способна к самоподдержанию. На подобных механизмах основаны процессы самоочищения водоёмов. 
 
Необходимо отметить исключительное значение отрицательных обратных связей для любых систем, в которых осуществляется регуляция. Отрицательная обратная связь является главным элементом любого регулятора в технике. На принципе обратной связи построены все механизмы регуляции и поддержание постоянства внутренней среды и внутренних взаимосвязей, то есть гомеостаза любой авторегуляторной системы. Все экологические системы включают контуры отрицательных обратных связей. В отличие от них, контуры положительных связей не только не способствуют регуляции, а наоборот, генерируют дестабилизацию систем, приводя их либо к угнетению или гибели, либо к ускоряющему росту, «разгону» системы, за которым, как правило, следует срыв и разрушение системы. Чтобы изменить поведение системы, недостаточно изменить связи, гораздо важней добавить или изъять какие-то кольца связей, которые могли бы изменить знак внутри контура. 
 
Гармонизирующее с окружающей средой производство и потребление продуктов должны основываться на законах экологии, в том числе сформулированных известным американским учёным-экологом Барри Коммонером. 
 
Согласно первому закону «Всё связано со всем» все экосистемы являются взаимонастрающимися и взаимоуровновешанными. При каких-либо отклонениях в одном звене экосистема в целом стабилизируется благодаря динамическим самоконтролирующим свойствам, а при слишком сильных отклонения может произойти её разрушение. Допустимые отклонения, не приводящие к драматической развязке, определяются сложностью системы и её кинетическими параметрами (скоростью метаболизма различных популяций, входящих в систему и т.п.). Разрушение отдельных звеньев приводит к упрощению  экосистем и к их большей «ранимости». Иллюстрацией упадка экосистемы может служить разрушение кислородного обмена в воде, вызываемое эвтрофированием, которое тесно связано с увеличением в бассейне большого количества питательных веществ, транспортируемых со сбросными водами. Питательные вещества стимулируют рост водорослей, а плотный их слой начинает препятствовать проникновению в нижние слои воды солнечного света, который необходим для фотосинтеза. 
 
Количество отмираемых водорослей неуклонно растёт, и весь растворённый в воде кислород расходуется на их разложение, что приводит к гибели разлагающих водоросли бактерий, которые не могут существовать без свободного кислорода и других водных организмов.  
 
Второй закон гласит: «Всё куда-то должно деваться». В природе продукты жизнедеятельности одних организмов служат «сырьём» для других. Многие производственные технологические отходы часто не вписываются в природные экосистемы из-за слишком больших объёмов или чужеродности и тем самым загрязняют их. Дальнейший путь загрязняющих веществ может быть самым необычным. Так, например,  содержащаяся в выбросах многих химических предприятий ртуть попадает в организм рыб, из рыб – в организм человека и накапливается в нём, так как ртуть очень слабо участвуют в метаболизме. Производственные и бытовые отходы, поступая в окружающую среду, не исчезает бесследно, а остаются чуждыми ей. 
 
Третий закон: «Природа знает лучше». Любое крупное изменение природной системы вредно для неё, ибо эта система прошла несравненно более длительную эволюцию, чем период развития цивилизации, и усовершенствовалась до уровня тончайшего механизма, в которой каждая, даже самая мелкая деталь, играет незаменимую роль. Для любой органической субстанции, вырабатываемой организмами, в природе существует исторически сформировавшийся фермент, благодаря чему происходит её разложение. Большинство синтезированных человеком веществ отличаются от природных систем тем, что они в естественных условиях не разлагаются, а накапливаются в окружающей природной среде. Попав в живой организм, эти вещества могут вызывать самые неожиданные последствия. Данный закон призывает нас к предельной осторожности при взаимодействии с природной средой. 
 
Четвёртый закон: «Ничто не даётся даром, за всё надо платить». Всё, что человек берёт от природы, должно быть рано или поздно возмещено, так как глобальная экосистема является единым целым, в рамках которого не может быть что-то выиграно или потеряно. Как пишет Б. Коммонер: «…платежа по этому векселю никак невозможно избежать, он может быть только на время отсрочен». 
 
Таким образом, по Б. Коммонеру, любой технологический процесс не должен приводить к нарушению каких-либо звеньев экосистемы. Если нарушения произошли, то они подлежат устранению. Наименьшее число нарушений в экосистеме вызывает такое производство, которое имеет высокую степень замкнутости. В подобном производстве отходы сводятся к минимуму, а поток материалов приближается к замкнутому кругообороту вещества, как в природных системах. 
2.5. Принципы и теории систем в экологии 
 
Существуют некоторые общие принципы, позволяющие составить единую основу для изучения технических, биологических и социальных систем. Некоторые общие свойства этих систем: 
 
1. Свойства системы невозможно понять лишь на основании свойств её отдельных частей, решающее значение имеет именно связь или взаимодействие между частями изучаемой системы. Изучая в отдельности некоторые формы грибов и водорослей, нельзя предсказать существование их мутуализма в виде лишайника. Независимое рассмотрение законов человеческого общества и законов биоэкологи не позволяет судить о характере взаимоотношений человека с живой природой. Степень несводимости свойств системы к свойствам отдельных элементов, из которых она состоит, определяет эмерджентность системы.   
 
2. Каждая система имеет определённую структуру. Она не может состоять из абсолютно идентичных элементов; для любой системы справедлив принцип необходимого разнообразия элементов. Нижний предел разнообразия обладает не менее как двумя элементами (белок – нуклеиновая кислота). Разнообразие зависит от числа разных элементов, составляющих систему, и может быть измерено. 
 
В экологии оно обычно оценивается по показателю  
К. Шеннона:  
 
, 
 
где V – индекс разнообразия; 
 
     Pi – нормированная относительная численность i-го вида организмов в совокупности n видов (    
 
3. Выделение системы делит её мир на две части – саму систему и её среду, при этом сила связей элементов внутри системы больше, чем с элементами среды. По характеру связей, в частности по типу обмена веществом и/или энергией со средой, существуют следующие системы: 
 
- изолированные системы (где никакой обмен не возможен); 
 
- замкнутые системы (невозможен обмен веществом, но обмен энергией возможен); 
 
- открытые системы (возможен обмен и веществом и энергией). 
 
В природе реально существуют только открытые системы. Системы между внутренними элементами и элементами среды осуществляют переносы вещества, энергии и информации, носят название динамических систем. Любая система – от вируса до биосферы – представляет собой открытую динамическую систему.  
 
4. Преобладание внутренних взаимодействий в динамической системе над внешними определяет её устойчивость, способность к самоподдержанию. Если внешние силы, действующие на машину, оказываются больше сил механической связи между частями машины, она разрушается. Подобно этому внешнее воздействие на биологическую систему, превосходящее силу её связей и неспособность к адаптации, приводит к необратимым изменениям и гибели системы. Устойчивость динамической системы поддерживается непрерывно выполняемой ею внешней циклической работой (принцип велосипеда). 
 
5. Действие системы во времени называют поведением системы. Изменение поведения под влиянием внешних условий обозначают как реакцию системы, а более или менее стойкие изменения реакций системы – как её приспособление или адаптацию. Адаптивные изменения структуры и связей системы во времени рассматривают как её развитие или эволюцию. Самоподдерживающие динамические системы эволюционируют в сторону усложнения организации и возникновения системной иерархии – образования подсистем в структуре системы, при этом наблюдается определённая последовательность  становления эмерджентных свойств (качеств) системы – устойчивости, управляемости и самоорганизации. Эволюция состоит из последовательного закрепления таких адаптаций, при которых проток энергии через систему и её потенциальная эффективность увеличиваются. 
 
6. С возрастанием иерархического уровня системы возрастает  сложность её структуры и поведения. Сложность системы H_n определяется числом nсвязей между её элементами: 
 
H_n =lg_n. 
 
Обычно системы, имеющие до тысячи связей  
(O < H_n < 3), относятся к простым;  до  миллиона связей  
(3 < H_n < 6)  – к сложным;  свыше миллиона  (H_n > 6) – к очень сложным. Все реальные природные биосистемы очень сложны. Другой критерий сложности связан с характером поведения системы. Если система способна к акту решения, то есть к выбору альтернатив поведения (в том числе и в результате случайного изменения), то такая решающая система в ходе их эволюции является ускорением эволюции, всё более быстрое прохождение её стадий, равноценных по качественным сдвигам. 
 
7. Важной особенностью эволюции сложных систем является неравномерность или отсутствие монотонности. Периоды постепенного накопления незначительных изменений иногда прерываются резкими качественными скачками, существенно меняющими свойствами системы. Обычно они связаны с так называемыми точками бифуркации –  расщеплением (раздвоением) прежнего пути эволюции. От выбора того или иного направления развития в точке бифуркации зависит очень многое, вплоть до появления и процветания нового мира веществ, организмов, социумов или, наоборот, гибели системы. Даже для решающих систем результат выбора часто непредсказуем, а сам выбор в точке бифуркации может быть вызван случайным импульсом. 
 
8. Любая реальная система может быть представлена в виде некоторого материального подобия или знакового образа, называемого соответственно аналоговой или знаковой моделью системы. Моделирование неизбежно сопровождается некоторым упрощением и формализацией взаимосвязей в системе. Эта формализация может быть осуществлена в виде логических (причинно-следственных) и /или математических (функциональных) отношений.  
2.6. Фундаментальные законы экологии 
 
Современная экология располагает обширным, не требующего доказательств, материалом относящейся ко всем уровням организации природных систем. Некоторые, достаточно общие постулаты, теоремы, правила и принципы заимствованы из смежных дисциплин и опираются на фундаментальные законы естествознания. Таковы начала термодинамики, законы сохранения вещества и энергии, закон минимума, максимума, толерантности, законы диссипации (рассеивания) энергии Онсагера – Пригожина и др. Среди них есть несколько принципов, важных для понимания поведения экологических систем, их способности к самоподдержанию и саморегуляции. 
 
Закон больших чисел: совокупное действие большого числа случайных факторов приводит, при некоторых общих условиях, к результату, почти не зависящему от случая, то есть имеющему системный характер. Случайное, стохастическое, поведение большого числа молекул в некотором объёме газа обусловливает вполне определённые значения температуры и давления. Огромное количество бактерий в почве, воде, тканях растений и животных создают особую, относительно стабильную микробиологическую среду, необходимую для нормального существования всего живого.  
 
Принцип Ле Шаталье – Брауна. При внесении воздействий, выводящих систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в направлении, при котором эффект внешнего воздействия уменьшается. Разработанный первоначально для условий химического равновесия, этот принцип стал применяться для описания поведения самых различных самоподдерживающих систем. На биологическом уровне он реализуется в виде способности экологических систем к саморегуляции. В биосфере механизм осуществления этого принципа основывается на функционировании всей совокупности живых организмов и служит главным регулятором общеземных процессов. 
 
Действует закон всеобщей связи вещей и явлений в природе и обществе. Он связан с законом физико-химического единства всего живого вещества и законом развития системы за счёт окружающей её среды, и законом постоянства количества живого вещества, сформулированных   
В.И. Вернадским: любая система может развиваться только за счёт использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей её среды; изолированное саморазвитие невозможно. Значительное увеличение числа каких-либо организмов за счёт относительно короткий промежуток может происходить только за счёт уменьшения числа других организмов. Это правило распространяется и на число видов организмов. В мире живых существ тотальность связей проявляется особенно ярко, потому что при материальном единстве жизни живые системы характеризуются наиболее разнообразными, разветвлёнными и интенсивными взаимопереходами вещества, энергии и информации. Они образуют экологические сети взаимосвязей. Богатство связей относится не только к локальным экосистемам. Глобальные круговороты веществ, ветры, океанические течения, реки, трансконтинентальные и трансокеанические  миграции птиц и рыб, переносы семян и спор, деятельность человека и влияние антропогенных факторов – всё это в той или иной степени связывает пространственное удаление природных комплексов и придаёт биосфере признаки единой коммуникативной системы. 
 
Густая динамичная сеть связей и зависимостей характерна и для человеческого общества. По сравнению с природой она многократно обогащена за счёт потоков информации. Существует много примеров многоступенчатого опосредования и усиления частных изменений в технологических процессах и в производстве. Не следует представлять себе эти закономерности так, будто всё связано со всем отдельно в природе и отдельно в обществе и экономике. На самом деле природа, общество и экономика находятся в одной сети системных взаимодействий. Существуют важные для экологии следствия всеобщей связи, закона динамического равновесия и принципа Ле Шателье – Брауна. 
 
Закон цепных реакций. Любое частное изменение в системе неизбежно приводит к развитию цепных реакций, идущих в сторону нейтрализации произведённого изменения или формирования новых взаимосвязей и новой системной иерархии. Поскольку взаимодействие между компонентами системы при их изменении, как правило, существенно нелинейно, то слабое изменение одного из параметров системы может вызвать сильные отклонения других параметров или привести к изменению всей системы в целом. 
 
Закон оптимальности. Любая система функционирует в некоторых характерных для неё пространственно-временных пределах. Вместе с этим в живой природе действует правило максимального «Давления жизни»: организмы размножаются с интенсивностью, обеспечивающей максимально возможное их число. Однако давление жизни ограничено емкостью среды, межвидовыми взаимоотношениями, взаимоприспособленностью различных групп организмов. Эту закономерность иногда обозначают как закон сопротивления   среды   жизни   или  закон  ограниченного  роста Ч. Дарвина. Ч. Дарвину принадлежит также экологическая аксиома адаптированности: каждый биологический вид адаптирован к строго определённой, специфичной для него совокупности условий существования, которая позднее получила название экологической ниши. Очевидна связь этого положения с законом оптимальности. 
 
Закон экодинамики. Помимо константности количества живого вещества в живой природе наблюдается постоянное сохранение вещественной, энергетической и информационной структуры, хотя она и несколько изменяется в ходе эволюции. Эти свойства Ю. Голсмит (1981 г.) обозначил как законы экодинамики. Первый из них – закон сохранения структуры биосферы, второй – закон стремления к климаксу, то есть к достижению экологической зрелости и равновесности экосистемы. 
 
 
 
2.7. Цель, содержание и задачи дисциплины  
«экология» 
 
 В настоящее время особую озабоченность вызывает проблема сохранения планеты в качестве среды обитания человеческого общества. Информация о нынешнем состоянии окружающей природной среды и соответствующий прогноз  крайне не утешителен для биологических существ. 
 
Современная экология анализирует природные факторы существования живых организмов, включая человека, и их изменения под влиянием разнообразных или зачастую разрушающих антропогенных воздействий. Поэтому целью изучения науки экологии является четкое, достаточно полное и достоверное представление об основных экологических проблемах современного состояния окружающей среды, об основных направлениях её защиты, о взаимоотношениях живых организмов с их средой обитания и антропогенных воздействий на экосистемы биосферы и саму биосферу в целом. 
 
Содержание современной экологии можно определить исходя из концентрации уровней организации организмов, которые составляют своеобразный «биологический центр» (рис.2.4). 
 
Ген, клетка, орган, организм, популяция, сообщество ─ основные уровни организации жизни. Они расположены в иерархическом порядке от малых систем к более крупным системам. На каждом уровне в результате взаимодействия с окружающей физической средой (энергией и веществом) возникают новые характерные функциональные системы. 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                    Казахстанско-Российский медицинский  университет            

                                                              Кафедра Экологии 

 

 

 

 

            СРСП   

 

 

                    На тему:Инжинерная экология защита окружающей среды.

 

 

 

 

                                                                      Выполнил:Азиханов Арман

                                                                     Группа:105 <<Б>>

                                                                       Стоматологический факультет

                                                                       Проверила: Жанат Мухамеджанкызы

 

 

 

 

 

 

                                               Алматы 2013г