Принципы функционирования экосистем. Основные характеристики экологических систем

         1. Принципы функционирования экосистем. Основные характеристики экологических систем.

экосистема токсикант вредный вещество

Энергия в экосистемах.

Напомним, что экосистема - это совокупность живых организмов, обменивающихся непрерывно энергией, веществом и информацией друг с другом и с окружающей средой. Рассмотрим сначала процесс обмена энергией.

Энергию определяют как способность производить работу. Свойства энергии описываются законами термодинамики.

Первый закон (начало) термодинамики или закон сохранения энергии утверждает, что энергия может переходить из одной формы в другую, но она не исчезает и не создается заново.

Второй закон (начало) термодинамики или закон энтропии утверждает, что в замкнутой системе энтропия может только возрастать. Применительно к энергии в экосистемах удобна следующая формулировка: процессы, связанные с превращениями энергии, могут происходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную, то есть деградирует. Мера количества энергии, которая становится недоступной для использования, или иначе мера изменения упорядоченности, которая происходит при деградации энергии, есть энтропия. Чем выше упорядоченность системы, тем меньше ее энтропия.

Таким образом, любая живая система, в том числе и экосистема, поддерживает свою жизнедеятельность благодаря, во-первых, наличию в окружающей среде в избытке даровой энергии (энергия Солнца); во вторых, способности за счет устройства составляющих ее компонентов эту энергию улавливать и концентрировать, а использовав - рассеивать в окружающую среду.

Таким образом, сначала улавливание, а затем концентрирование энергии с переходом от одного трофического уровня к другому обеспечивает повышение упорядоченности, организации живой системы, то есть уменьшение ее энтропии.

Энергия и продуктивность экосистем

Итак, жизнь в экосистеме поддерживается благодаря непрекращающемуся прохождению через живое вещество энергии, передаваемой от одного трофического уровня к другому; при этом происходит постоянное превращение энергии из одних форм в другие. Кроме того, при превращениях энергии часть ее теряется в виде тепла.

Тогда возникает вопрос: в каких количественных соотношениях, пропорциях должны находиться между собой члены сообщества разных трофических уровней в экосистеме, чтобы обеспечивать свою потребность в энергии?

Весь запас энергии сосредоточен в массе органического вещества - биомассе, поэтому интенсивность образования и разрушения органического вещества на каждом из уровней определяется прохождением энергии через экосистему (биомассу всегда можно выразить в единицах энергии).

Скорость образования органического вещества называют продуктивностью. Различают первичную и вторичную продуктивность.

В любой экосистеме происходит образование биомассы и ее разрушение, причем эти процессы всецело определяются жизнью низшего трофического уровня - продуцентами. Все остальные организмы только потребляют уже созданное растениями органическое вещество и, следовательно, общая продуктивность экосистемы от них не зависит.

Высокие скорости продуцирования биомассы наблюдаются в естественных и искусственных экосистемах там, где благоприятны абиотические факторы, и особенно при поступлении дополнительной энергии извне, что уменьшает собственные затраты системы на поддержание жизнедеятельности. Такая дополнительная энергия может поступать в разной форме: например, на возделываемом поле - в форме энергии ископаемого топлива и работы, совершаемой человеком или животным.

Таким образом, для обеспечения энергией всех особей сообщества живых организмов экосистемы необходимо определенное количественное соотношение между продуцентами, консументами разных порядков, детритофагами и редуцентами. Однако для жизнедеятельности любых организмов, а значит и системы в целом, только энергии недостаточно, они обязательно должны получать различные минеральные компоненты, микроэлементы, органические вещества, необходимые для построения молекул живого вещества.

Круговорот элементов в экосистеме

Откуда изначально берутся в живом веществе необходимые для построения организма компоненты? Их поставляют в пищевую цепь все те же продуценты. Неорганические минеральные вещества и воду они извлекают из почвы, CO2 - из воздуха, и из образованной в процессе фотосинтеза глюкозы с помощью биогенов строят далее сложные органические молекулы - углеводы, белки, липиды, нуклеиновые кислоты, витамины и т.п.

Чтобы необходимые элементы были доступны живым организмам, они все время должны быть в наличии.

В этой взаимосвязи реализуется закон сохранения вещества. Его удобно сформулировать следующим образом: атомы в химических реакциях никогда не исчезают, не образуются и не превращаются друг в друга; они только перегруппировываются с образованием различных молекул и соединений (одновременно происходит поглощение или выделение энергии). В силу этого атомы могут использоваться в самых различных соединениях и запас их никогда не истощается. Именно это происходит в естественных экосистемах в виде круговоротов элементов. При этом выделяют два круговорота: большой (геологический) и малый (биотический).

Круговорот воды является одним из грандиозных процессов на поверхности земного шара. Он играет главную роль в связывании геологического и биотического круговоротов. В биосфере вода, непрерывно переходя из одного состояния в другое, совершает малый и большой круговороты. Испарение воды с поверхности океана, конденсация водяного пара в атмосфере и выпадение осадков на поверхность океана образуют малый круговорот. Если же водяной пар переносится воздушными течениями на сушу, круговорот становится значительно сложнее. В этом случае часть осадков испаряется и поступает обратно в атмосферу, другая - питает реки и водоемы, но в итоге вновь возвращается в океан речным и подземным стоком, завершая тем самым большой круговорот. Важное свойство круговорота воды заключается в том, что он, взаимодействуя с литосферой, атмосферой и живым веществом, связывает воедино все части гидросферы: океан, реки, почвенную влагу, подземные воды и атмосферную влагу. Вода - важнейший компонент всего живого. Грунтовые воды, проникая сквозь ткани растения в процессе транспирации, привносят минеральные соли, необходимые для жизнедеятельности самих растений.

Обобщая законы функционирования экосистем, сформулируем еще раз основные их положения:

• природные экосистемы существуют за счет не загрязняющей среду даровой солнечной энергии, количество которой избыточно и относительно постоянно;
• перенос энергии и вещества через сообщество живых организмов в экосистеме происходит по пищевой цепи; все виды живого в экосистеме делятся по выполняемым ими функциям в этой цепи на продуцентов, консументов, детритофагов и редуцентов - это биотическая структура сообщества; количественное соотношение численности живых организмов между трофическими уровнями отражает трофическую структуру сообщества, которая определяет скорость прохождения энергии и вещества через сообщество, то есть продуктивность экосистемы;
• природные экосистемы благодаря своей биотической структуре неопределенно долго поддерживают устойчивое состояние, не страдая от истощения ресурсов и загрязнения собственными отходами; получение ресурсов и избавление от отходов происходят в рамках круговорота всех элементов.

2. Вредное вещество и токсикант, их особенности. Классификация токсикантов

Ситуация острого экологического кризиса создается активизацией хозяйственно – производственной деятельности человека, которая оказывает антропогенное воздействие на главные составляющие биосферы.

В последние годы особую значимость и актуальность приобретают токсикологические аспекты всестороннего анализа окружающей среды. Изучением современных представлений о токсичности и канцерогенности элементов и их соединений, исследование биогеохимических особенностей поведения токсикантов в окружающей среде, механизм их распространения и метаболизм занимается наука экотоксикология.

Основные природные источники поступления токсикантов в окружающую среду – ветровая пыль, лесные пожары, вулканический материал, растительность, морские соли. Антропогенные источники – это первичное и вторичное производство цветных металлов, стали, чугуна, железа; добыча полезных ископаемых; автомобильный транспорт; химическая промышленность; производство меди, фосфатных удобрений; процессы сжигания угля, нефти, газа, древесины, отходов и др. В качестве критериев количественной оценки уровня загрязнения окружающей среды могут быть использованы индекс загрязнения, предельно допустимая, фоновая и токсическая концентрации. Индекс загрязнения (ИЗ) – показатель, качественно и количественно отражающий присутствие в окружающей среде вещества-загрязнителя и степень его воздействия на живые организмы. Предельно допустимая концентрация (ПДК) – количество вредного вещества в окружающей среде, которое при постоянном контакте или при воздействии за определенный промежуток времени практически не влияет на здоровье человека. Предельно допустимые концентрации веществ, загрязняющих биосферу, вводились как нормирующие показатели во многих странах, в том числе и в нашей стране. Под токсической концентрацией понимают либо концентрацию вредного вещества, которое способно при различной длительности воздействия вызывать гибель живых организмов, либо концентрацию вредного начала, вызывающую гибель живых организмов в течение 30 суток в результате воздействия на них вредных веществ. Вредное вещество или токсикант – загрязнитель, метаболизм, канцерогенез, токсичность как результат избытка необходимых веществ и соединений, биогеохимические свойства токсикантов и их химически активные миграционные формы в окружающей природной среде. Вредное вещество – это инородный нехарактерный для природных экосистем ингредиент, оказывающий отрицательное влияние на них и живые организмы, обитающие в этих экосистемах. Токсиканты – вещества или соединения, способные оказывать ядовитое действие на живые организмы. В зависимости от характера воздействия и степени проявления токсичности, т. е. способности этих веществ оказывать вредное воздействие на живые организмы, они классифицируются на две большие группы: токсичные и потенциально токсичные.

По химической природе вредные вещества, или токсиканты, бывают неорганического происхождения (кадмий, ртуть, свинец, мышьяк, никель, бор, марганец, селен, хром, цинк и др.) и органического (нитразосоединения, фенолы, амины, нефтепродукты, поверхностно-активные вещества, пестициды, формальдегид, бензапирен и др.). Существует классификация опасности различных химических веществ, попадающих в окружающую среду. Наиболее приоритетными для химико-токсикологического анализа являются тяжелые металлы (свинец, ртуть, кадмий, медь, никель, кобальт, цинк), обладающие высокой токсичностью и миграционной способностью. Поведение этих токсикантов в различных природных средах обусловлено специфичностью их основных биогеохимических свойств: комплексообразующей способностью, подвижностью, биохимической активностью, минеральной и органической формами распространения, склонностью к гидролизу, растворимостью, эффективностью накопления. Глобальный перенос токсикантов происходит через атмосферу и большие реки, несущие воды в океаны. Земля, ложа рек, океаны служат как бы резервуаром для скопления токсикантов. Наиболее опасным для природных экосистем и человека является именно химическое загрязнение, поскольку в результате него в окружающую среду поступают различные токсиканты: полихлорированные диоксины, хлорорганические пестициды, полициклические ароматические углеводороды, нитрозамины, радионуклиды, тяжелые металлы и др. По оценкам Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), из более чем 6 млн. известных химических соединений на практике используется только около 500 тыс.; из них около 40 тыс. обладают вредными для человека свойствами, а 12 тыс. являются токсичными. Многие химические вещества обладают канцерогенными и мутагенными свойствами, среди которых особенно опасны 200 наименований: бензол, асбест, бензапирен, пестициды, тяжелые металлы (особенно ртуть, свинец, кадмий), разнообразные красители и пищевые добавки. Опасность токсичных веществ для человека в значительной степени предопределяется способностью последних к кумуляции. Накапливаясь в организме человека, токсиканты могут привести к различным болезненным состояниям спустя длительное время после их воздействия. Кроме того, токсичные вещества могут привести к различным порокам развития, уродства и наследственной болезни. Если в целом охарактеризовать пути загрязнения окружающей среды, то можно выделить следующие причины: несовершенные производственные процессы; использование продукции, в которой экотоксиканты содержатся изначально или образуются при ее использовании или в случае аварий; несовершенство технологий очистки промышленных и сточных вод; несовершенство технологий уничтожения, захоронения или утилизации бытовых и промышленных отходов; использование в сельском хозяйстве пестицидов; радиоактивное загрязнение окружающей среды за счет ядерных испытаний и в результате аварий.

3. Экологическое страхование

Основополагающим актом, регулирующим данную сферу отношений, является закон РФ « О страховании », принятый 27 ноября 1992 года. В соответствии с этим законом выделяются три группы имущественных интересов, связанных: с жизнью, здоровьем, трудоспособностью и пенсионным обеспечением самого страхователя, с причиненным вредом личности и имуществу физического лица, а так же вредом, причиненном юридическому лицу.

В сфере экологии в зарубежных странах различается страхование экологических рисков и страхование имущества от экологических бедствий. Широкое распространение получило страхование экологических рисков, которое представляет собой страховую защиту гражданской (имущественной ответственности за ущерб, причиненный третьим лицам в результате внезапного, непреднамеренного, неожиданного загрязнения окружающей природной среды.

На территории России экологические виды страхования ранее практически не применялись, за исключением Ингосстраха заключившего договоры по страхованию ответственности судовладельцев за утечку нефтепродуктов и с танкеров и загрязнение ими вод и побережья. 
В мировой практике существуют две формы страхования – обязательное и добровольное.

Создаваемые в системе экологического страхования фонды предназначены для финансирования работ по прогнозированию, предотвращению и ликвидации последствий экологических и стихийных бедствий, аварий, катастроф.

Порядок государственного экологического страхования использования фондов Российской Федерации устанавливает Правительство.

По поручению Правительства РФ Минприроды России и Росгосстраха разработали и утвердили Типовое положение о порядке добровольного экологического страхования РФ, на основе которого каждая страховая организация разрабатывает свои правила по экологическому страхованию на основе добровольно – заключаемого договора между страховой организацией и страхователем. Если ранее условия договоров по разным видам добровольного страхования разрабатывались Госстрахом и утверждались Министерством финансов, то в настоящее время на территории России преодолен монополизм государственных страховых органов и правила для добровольного страхования различных видов ( включая и экологическое ) подготавливаются и реализуются страховыми организациями на основании лицензий в соответствии с Законом РФ « О страховании ». эти же законом установлено, что выдача лицензий на страховую деятельность отнесена к компетенции Федеральной службы России по надзору за страховой деятельностью.

В настоящее время необходимая нормативно – правовая база добровольного экологического страхования в целом сформирована. Развитие этого вида страхования сдерживается отсутствием необходимых данных для достоверного расчета тарифных ставок и, главное, отсутствием необходимых средств для создания больших резервных фондов.