Раздел IV. Сохранение биоразнообразия в промышленных и урбанизированных районах

Введение

Обратно в содержание

Cовременная биосфера, среда обитания всех живых организмов, является в то же время и продуктом их жизнедеятельности: неустанного воспроизведения, метаболизма (обмена веществ) и посмертного разложения мириадов живых существ. Все среды жизни  почвенная, водная, наземная, воздушная – есть результат постоянного взаимодействия и взаимопроникновения живого и неживого вещества. Ни один вид живых организмов не может существовать исключительно среди себе подобных. Жизнь возможна только в сообществах (биоценозах) и в определенной совокупности условий, характеризующей место их обитания (биотоп). Единство биотопа и биоценоза лежит в основе одной из основных концепций экологии, концепции экосистемы [Одум, 1986; Шилов И.А., 1997].

Как и любая живая система, экосистема способна к саморегуляции, т.е. к самосохранению, поддержанию своего видового состава, и воспроизведению связей между отдельными видами в экосистемах, т.е. к поддержанию устойчивости. Устойчивость экосистем, их гомеостаз, или, иначе, экологическое равновесие  основополагающие понятия современной экологии.

В настоящее время на Земле города занимают 5–7% площади суши, но их влияние распространяется на большие расстояния. Подсчитано, что 1 м² городской системы потребляет в 70 раз больше энергии, чем соответствующая площадь естественной экосистемы. Для обеспечения городского населения в 1 млн. человек питанием требуется около 0,8 млн. га пашни. Город влияет на окружающую среду не только как потребитель энергии, органического вещества и кислорода, но и как мощный источник загрязнения.

Биосфера и отдельные экосистемы способны переносить значительные антропогенные нагрузки благодаря возможности саморегуляции, самоочищения и самовосстановления. Однако эти их свойства имеют естественные пределы, которые могут быть названы емкостью экосистем.

Экологами убедительно доказано, что качеством природной среды «автоматически» может управлять только биота, т.е. совокупность всех живых организмов Земли. Анализ моделей и натурные исследования показали, что биологическое разнообразие (разнообразие и количество видов, составляющих экосистему) является критерием и признаком устойчивости экосистемы. Искусственно создать среду обитания для человека не удается, что подтверждено многочисленными экспериментами в разных странах мира. Пути к решению глобальных экологических проблем современности, в том числе проблемы оздоровления городской среды, пролегают через изучение и охрану природных экосистем и сохранение биоразнообразия.

Глава 1. Разнообразие биологических видов и его

значение для биосферы

Многочисленность и разнообразие обитателей планеты соответствует разнообразию экологических ниш в биогеоценозах. Миллионы биологических видов – основной ресурс и базис устойчивости (гомеостаза) биосферы. При описании структуры и свойств экосистем первыми обычно указывают показатели видового разнообразия. Кроме этого, рассматривают структурное разнообразие, характеризующее множество микроместообитаний и экологических ниш, и генетическое разнообразие внутри популяций. Все эти показатели важны для формирования адаптационных возможностей экосистемы. Охрана биоразнообразия нашей планеты является актуальнейшей задачей современности, так как в связи с техногенными воздействиями на природные экосистемы многие виды вымирают. Этот процесс катастрофически ускорился в ХХ веке и ведет к потере устойчивости отдельных экосистем и биосферы в целом.

Биологическая наука систематика подразделяет все живое на таксоны – группы организмов, имеющие общие черты морфологической организации и физиологических процессов и в то же время достаточно обособленные в природе, т.е. не имеющие гибридов с представителями других таксонов.

Наиболее естественным природным таксоном является вид – классификационная единица низшего ранга. Высшим таксоном считается царство. В каждом из них можно найти более примитивных и более морфологически и физиологически сложных представителей, причем все они в высокой степени адаптированы к среде своего обитания [Грин и др., 1993]. Могут быть выделены крупнейшие группы организмов, различающиеся по типу обменных процессов, пищевой специализации и по роли в природе.

Бактерии: прокариоты («доядерные») одноклеточные организмы. Их клетки не имеют отделенного от цитоплазмы ядра. Однако генетическая программа, как и у всех живых организмов, закодирована в виде последовательности нуклеотидов в ДНК и несет информацию о структуре белков. Бактериальные клетки не содержат таких органелл, как хлоропласты (специализированные для фотосинтеза) и митохондрии (специализированные для клеточного дыхания и синтеза АТФ). Эти биохимические процессы происходят у бактерий в цитоплазме.

Роли бактерий в природе чрезвычайно разнообразны, что связано с различными источниками энергии, используемыми разными группами бактерий. Многие гетеротрофные аэробные бактерии являются редуцентами в экосистемах. В почве они участвуют в образовании плодородного слоя, преобразуя лесную подстилку и гниющие остатки животных в гумус. Бактерии почвы разлагают органические соединения до минеральных веществ. Установлено, что до 90% СО₂ попадает в атмосферу за счет деятельности бактерий и грибов. Бактерии участвуют в биогеохимических циклах азота, серы, фосфора. Самоочищение воды в природных водоемах, а также очистка сточных вод производится аэробными и анаэробными гетеротрофными бактериями.

Бактерии-симбионты населяют кишечник травоядных животных; бактериальная микрофлора кишечника человека участвует в процессах переваривания целлюлозы (растительной клетчатки). Эти бактерии также синтезируют некоторые витамины. Нитрифицирующие бактерии – симбионты бобовых растений – обогащают почву азотом.

Бактерии используются в биотехнологических производствах. Продукты микробиологической промышленности используются как источники пищи и топлива (биогаз из растительных остатков). Бактерии применяют в генетической инженерии, например для биотехнологического получения ценных лекарственных препаратов. Ряд бактерий являются возбудителями болезней растений, животных, человека.

Автотрофные бактерии, как фотосинтезирующие, так и хемосинтезирующие, являются продуцентами в некоторых экосистемах. Цианобактерии (фотосинтетики) играли решающую роль в повышении уровня свободного кислорода в атмосфере в ранние периоды жизни Земли. В настоящее время бактериальные препараты используются для очистки почвы от нефтяных и других органических загрязнений, для борьбы с насекомыми-вредителями и т.д.

Простейшие – одноклеточные эукариотические организмы со сложно организованной цитоплазмой и истинным ядром. Клетка простейших выполняет все жизненно важные функции с помощью специализированных внутриклеточных структур – органелл. В природе простейшие широко распространены во влажной и водной среде. Разнообразие простейших велико: описано более 50 000 видов. Эти виды входят в водные и почвенные сообщества. Имеются также виды простейших, паразитирующих на многоклеточных организмах и являющихся возбудителями заболеваний. Многие простейшие участвуют в очистке сточных вод, в почвенных экосистемах – играют роль в почвообразовании.

Грибы – большая и процветающая группа организмов. Описано около 100 000 видов. Разнообразие грибов охватывает такие организмы, как дрожжи, плесневые грибы, возбудители болезней и, наконец, высшие грибы, имеющие зачастую крупные размеры и употребляемые в пищу животными и человеком.

Грибы – это гетеротрофные организмы. Тип питания грибов – сапрофитный (поглощение питательных веществ через поверхность тела). Тело грибов состоит из переплетения тонких нитей. Грибные нити называют гифами, а их совокупность – мицелием. Отдельный гриб может образовать за 24 часа мицелий длиною более километра. Роль грибов в природе чрезвычайно велика. Грибы зачастую являются симбионтами (партнерами) растений. Взаимовыгодная связь грибов с корневой системой растений – микориза – играет ключевую роль в питании и распространении растений, в почвообразовании. Симбионты грибов с водорослями – лишайники – заселяют непригодные для других организмов места обитания.

В наземных и почвенных экосистемах грибы вместе с бактериями играют роль редуцентов, притаясь мертвым органическим веществом и разлагая его. Метаболическая активность грибов очень высока, они способны к быстрому разрушению горных пород и высвобождению из них химических элементов, которые при этом включаются в биогеохимические циклы углерода, азота и других компонентов почвы и воздуха. Многие грибы являются паразитами растений и животных. Некоторые виды вызывают быструю порчу деревянных, кожаных изделий и многих других органических материалов, а также пищевых продуктов. Грибы образуют биологически активные вещества, используемые в медицине и биотехнологии (например, антибиотики). Одноклеточные грибы – дрожжи – используются с древних времен и до наших дней в хлебопечении, виноделии, пивоварении, в микробиологической промышленности.

Наконец, съедобные шляпочные грибы являются ценным пищевым продуктом и объектом специального разведения.

Растения – это автотрофные фотосинтезирующие эукариотические организмы, в клетках которых в специализированных для фотосинтеза органеллах – хлоропластах – содержится зеленый пигмент хлорофилл. В царстве растений выделяют группы обитателей воды и суши. Ведущее место в водных экосистемах занимают водоросли, играющие роль продуцентов органического вещества и источников кислорода. Мельчайшие водоросли, парящие в поверхностных слоях теплых океанов, благодаря своему быстрому размножению и большой суммарной биомассе, являются важными поставщиками кислорода для всей атмосферы Земли. Некоторые водоросли используются в пищу животными и человеком.

В наземных экосистемах поток энергии по пищевым цепям начинается с высших растений – мхов, папоротников, голосеменных и покрытосеменных (цветковых). Эти растения имеют разнообразные приспособления для наземного образа жизни, добывания и использования воды, размножения. Самой совершенной является группа цветковых (покрытосеменных) растений, освоивших разнообразнейшие места обитания. Растения играют ведущую роль в современной биосфере. Характер фитоценозов определяет облик ландшафтов. В экосистемах именно растения, как правило, являются доминантными видами, определяющими характер зооценозов и микробоценозов.

В хозяйственной деятельности и жизни человека растения также играют ведущую роль как источник пищи, строительного материала, лекарственных и других биологически активных веществ. Растительные сообщества палеобиосфер создали ныне используемые человеком запасы органического топлива. Растительный покров планеты регулирует климат, гидрологический режим, служит основой способности экосистем к самоочищению. Растения широко использует современная биотехнология для производства пищевой биомассы, лекарств, а также биомассы для энергетических целей.

Животные. Царство животных включает эукариотические гетеротрофные организмы, большинство которых способно к активному движению и питается, схватывая и заглатывая добычу, переваривание которой происходит в полостях пищеварительного тракта. В экосистемах животные представляют трофические уровни консументов (травоядные животные, мелкие и крупные хищники, некрофаги). Разнообразие животных весьма велико. В царстве животных биологическая систематика выделяет различные типы строения тела, с чем связаны и особенности выполнения основных жизненных функций. Для животных характерно наличие нервно-гормональной регуляции физиологических процессов и активного поведения (выбора образа действий). Можно разделить царство животных на две большие группы – беспозвоночных и позвоночных.

У представителей позвоночных – рыб, амфибий, пресмыкающихся, птиц и млекопитающих – особенно хорошо развита центральная нервная система, что позволяет им быстро двигаться, активно охотиться и завоевывать все современные среды обитания. Развитие центральной нервной системы (мозга) является морфологическим условием развития сложного индивидуального поведения и интеллектуальных свойств у высших животных. Среди беспозвоночных животных наиболее процветающей группой являются насекомые, многие из которых обладают сложными врожденными формами поведения и развитым социумом («общественные» насекомые – пчелы, осы, муравьи, термиты и др.).

Видовое разнообразие животных играет важную роль в регуляции биоценозов. Многие виды животных служат для человека объектом разведения и промысла. Домашние и сельскохозяйственные животные – верные спутники человечества на пути цивилизации.

Совокупности популяций различных видов в экосистемах создают устойчивые биогеохимические циклы, благодаря которым поддерживается постоянство современных сред жизни – почвенной, наземной и водной. Экосистемы способны к саморегуляции, восстановлению равновесия численности популяций многих видов, взаимодействующих между собой в биоценозах. Особое значение для гомеостаза экосистем имеют трофические отношения между видами. В природе закономерно сочетаются численности видов, представляющих основные экологические группы организмов: продуцентов (растений), консументов (животных) и редуцентов (бактерий и грибов). Чем более разнообразными видами представлена каждая группа, тем устойчивее экосистема в целом, благодаря взаимозаменяемости видов. В биогеоценозах многообразие биологических видов поддер­живает устойчивые круговороты биогенов, химических элементов, входящих в состав живых организмов (кислорода, углерода, водорода, азота, фосфора, кальция, серы и др.), благодаря которым осуществляется усвоение и трансформация солнечной энергии в биосфере, получение ресурсов и переработка отходов.

Энергетика природных биоценозов построена таким образом, что биомасса растений (продуцентов) создается за счет фотосинтеза – синтеза органических веществ из простых неорганических соединений с использованием энергии солнечного света; 90% энергии первичной продукции – растительной биомассы – потребляют микроорганизмы (грибы и бактерии), мелкие беспозвоночные животные потребляют еще около 10%, а на долю крупных животных, в том числе позвоночных, остается всего 1%. Роль животных (консументов) в биоте заключается в тонкой настройке функционирования сообществ. Таким образом, фотосинтезированное органическое вещество растений – это важнейший возобновимый ресурс биосферы.

Разнообразие биологических видов – необходимое условие устойчивости циклов синтеза, трансформации и деструкции органического вещества биосферы. В природных экосистемах с высокой точностью биота поддерживает баланс между продукцией и деструкцией органики. Важнейшую роль биота играет в разрушении горных пород и почвообразовании. Кроме того, биота осуществляет эффективное управление гидрологическим режимом, составом почвы, атмосферы, воды. Установлено, что биота сохраняет в полной мере эту способность, если человечество использует не более 1% чистой первичной продукции биоты. Остальная часть продукции должна идти на поддержание жизнедеятельности видов, стабилизирующих среду [Горшков В.Г., 1980, 1995].

Человек в ХХ веке направил в антропогенный канал поток биосферной энергии. В начале ХХ века человечество потребляло примерно 1% чистой биосферной продукции, в конце того же века эта цифра увеличилась в 10 раз. В результате деятельности человека нарушаются биогеохимические циклы: нарушаются фитоценозы и уменьшается их продуктивность; увеличивается доля гетеротрофного звена в экосистемах, часть биомассы растений изымается из круговорота в пользу человека. Кроме того, накапливается громадное количество отходов, деструкция которых природными редуцентами невозможна. Катастрофически нарастают процессы деградации природной среды. В 1900 году естественные экосистемы были разрушены на 20% суши, сейчас – на 63% суши. Разрушаются также морские экосистемы, начиная, прежде всего, с внутренних морей. Многие виды живых организмов исчезают с лица Земли. Перечни редких и исчезающих биологических видов («красные книги») содержат тысячи наименований.