ВСТУПЛЕНИЕ
 
УЧЕБНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
 
О ПРОГРАММЕ REAP


Экологический менеджмент и математическое моделирование в экологии
(избранные главы из учебника)


   Содержание
   Глава 1.1
   Вопросы к главе 1.1
   Лабораторные работы


СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие
Раздел 1. Основы экологии

    Глава 1. Основные понятия, законы и концепции
               1.1. Концепция экосистемы
               1.2. Популяция как элемент экосистемы
               1.3. Человек и биосфера

    Глава 2. Мониторинг окружающей среды
               2.1. Понятие экологического мониторинга и его задачи
               2.2. Классификация мониторинга
               2.3. Критерии оценки качества окружающей среды

    Глава 3. Экотоксикология
               3.1. Загрязнение окружающей среды токсикантами и количественные
                      критерии оценки его фактического уровня
               3.2. Токсиканты и их специфические биогеохимические особенности
               3.3. Понятие токсичности и канцерогенности элементов и соединений


Раздел 2. Охрана окружающей среды

    Глава 4. Зашита биосферы от загрязнений
               4.1. Основные виды загрязнений природной среды
               4.2. Защита атмосферы
               4.3. Защита гидросферы
               4.4. Охрана литосферы

    Глава 5. Основы рационального природопользования
               5.1. Основные понятия
               5.2. Безотходные и малоотходные производства
               5.3. Основные принципы создания безотходных производств
               5.4. Безотходное потребление

    Глава 6. Экологический менеджмент
               6.1. Понятие, предмет и функции экологического менеджмента
               6.2. Социоприродная экосистема как объект экологического контроля
               6.3. Экологическая безопасность
               6.4. Формирование механизмов природопользования в рыночной экономике
               6.5. Главный подход к оценке стоимости биотических компонентов экосистем
               6.6. Управление естественными и социоприродными экосистемами
               6.7. Экологическое сопровождение хозяйственной деятельности
               6.8. Экологический менеджмент на предприятии
               6.9. Структурная перестройка и экологизация экономики
               6.10. Источники финансирования природоохранной деятельности

    Глава 7. Экологический маркетинг
               7.1. Маркетинговый механизм управления охраной окружающей среды
               7.2. Основные маркетинговые подходы в области экологии
               7.3. Экологический аудит в системе маркетинга

    Глава 8. Экологическое право
               8.1. Понятие, предмет и источник экологического права
               8.2. Экологические правонарушения
               8.3. Правовой режим природопользования и охраны окружающей среды
               8.4. Виды ответственности за экологические правонарушения


Раздел 3. Моделирование в экологии

    Глава 9. Динамические модели
               9.1. Понятие моделирования
               9.2. Динамика популяций
               9.3. Простейшая модель эпидемии
               9.4. Матричные модели

    Глава 10. Стохастические модели
               10.1. Случайные процессы при описании популяций
               10.2. Случайные изменения среды

    Глава 11. Оптимизационные и игровые модели
               11.1. Задачи об оптимальном рационе питания
               11.2. Задача поиска
               11.3. Игровые модели

    Глава 12. Системный анализ и управление в экологии
               12.1. Общее представление о системном анализе
               12.2. Основные этапы системного анализа
               12.3. Комплексная схема системного анализа
               12.4. Задача управления водохранилищем
               12.5. Управление водной системой
               Библиографический список к разделам 1-3


Раздел 4. Безопасность труда

    Глава 13. Опасные и вредные производственные факторы. Общие понятия

    Глава 14. Влияние на организм человека метеорологических условий
               14.1. Основные параметры микроклимата в производственных помещениях
               14.2. Создание требуемых параметров микроклимата в производственных
                       помещениях

    Глава 15. Воздействие на организм человека вредных веществ, содержащихся
                     в воздухе рабочей зоны
               15.1. Виды вредных веществ
               15.2. Оздоровление воздушной среды

    Глава 16. Производственное освещение
               16.1. Основные характеристики производственного освещения
               16.2. Создание требуемых условий освещения на рабочем месте

    Глава 17. Защита от шума, ультра- и инфразвука, вибрации
               17.1. Действие шума, ультра- и инфразвука, а также вибрации на
                       организм человека
               17.2. Основные методы борьбы с шумом, инфра- и ультразвуком и вибрацией

    Глава 18. Защита от электромагнитных полей и лазерного излучения

    Глава 19. Защита от ионизирующих излучений
               19.1. Основные характеристики ионизирующих излучений
               19.2. Защита от действия ионизирующих излучений

    Глава 20. Электробезопасность и молниезащита здании и сооружении
               20.1. Основные понятия
               20.2. Защита человека от поражения электрическим током
               20.3. Молниезащита
               20.4. Оказание первой помощи пораженному электрическим током

    Глава 21. Безопасность работы оборудования под давлением
                     выше атмосферного

    Глава 22. Пожарная и взрывная безопасность
               22.1. Основные понятия
               22.2. Основные способы тушения пожаров

    Глава 23. Основные требования безопасности к промышленному оборудованию

    Глава 24. Обеспечение безопасности при работе с компьютером


Раздел 5. Безопасность в чрезвычайных ситуациях

    Глава 25. Обеспечение безопасности жизнедеятельности в
                     чрезвычайных ситуациях
               25.1. Основные понятия
               25.2. Классификация чрезвычайных ситуаций
               25.3. Причины и стадии техногенных катастроф
               25.4. Устойчивость работы объектов народного хозяйства в
                       чрезвычайных ситуациях
               25.5. Основные принципы и способы обеспечения безопасности населения
                       в чрезвычайных ситуациях
               25.6. Ликвидация последствий чрезвычайных ситуаций

    Глава 26. Правовые и организационные основы безопасности
                     жизнедеятельности
               26.1. Основные законодательные документы
               26.2. Правовые и организационные аспекты обеспечения безопасности
                       в чрезвычайных ситуациях
               26.3. Организационные вопросы безопасности труда
               Библиографический список: к разделам 4-5


Глава 1.1. Концепция экосистемы

       Термин "экология" (от греч. "Ойкос" - дом, жилище и "логос" - наука) был предложен более 100 лет назад выдающимся немецким естествоиспытателем Эрнстом Геккелем.

       В буквальном смысле экология - это наука об условиях существования живых организмов, их взаимодействиях между собой и окружающей средой. Экология - также междисциплинарное системное научное направление. Возникнув на почве биологии, оно включает в себя концепции, технологии математики, физики, химии. Но экология и гуманитарная наука, поскольку от поведения человека, его культуры во многом зависит судьба биосферы, а вместе с ней и человеческой цивилизации.

       В зависимости от специфики решаемых экологических задач существуют ее разнообразные прикладные направления: инженерная, медицинская, химическая, космическая экология, агроэкология, экология человека и т.д.

       Что является предметом исследования экологии? Экология изучает организацию и функционирование живых систем более сложных, чем организм, т. е. надорганизмеиных систем. Эти системы получили название экологических систем или экосистем.

       Экосистема - это безразмерная устойчивая система живых и неживых компонентов, в которой совершается внешний и внутренний круговорот вещества и энергии. В качестве примеров можно привести лесные экосистемы, почвы, гидросферу и т.д.

       Самой крупной экосистемой, предельной по размерам и масштабам, является биосфера. Биосферой называют активную оболочку Земли, включающую все живые организмы Земли и находящуюся во взаимодействии с неживой средой (химической и физической) нашей планеты, с которой они составляют единое целое. Биосфера нашей планеты существует 3 млрд лет, она растет и усложняется наперекор тенденциям холодной энтропийной смерти; она несет разумную жизнь и цивилизацию. Биосфера существовала задолго до появления человека и может обойтись без него. Напротив, существование человека невозможно без биосферы.

       Все остальные экосистемы находятся внутри биосферы и являются ее подсистемами. Крупная региональная экосистема, характеризующаяся каким-либо основным типом растительности, называется биомом. Например, биом пустыни или влажного тропического леса. Гораздо меньшей системой является популяция, включающая группу особей одного вида, т. е. единого происхождения, занимающая определенный участок. Более сложной системой, чем популяция, является сообщество, которое включает все популяции, занимающие данную территорию. Таким образом, популяция, сообщество, биом, биосфера располагаются в иерархическом порядке от малых систем к крупным.

       Важное следствие иерархической организации состоит в том, что по мере объединения компонентов в более крупные функциональные единицы на новых ступенях иерархической лестницы возникают новые свойства, отсутствующие на предыдущих ступенях. Эти свойства нельзя предсказать исходя из свойств компонентов, составляющих новый уровень. Этот принцип получил название эмерджентности. Суть его: свойства целого невозможно свести к сумме свойств его частей. Например, водород и кислород, находящиеся на атомарном уровне, при соединении образуют молекулу воды, обладающую уже совершенно новыми свойствами. Другой пример. Некоторые водоросли и кишечнополостные образуют систему коралловых рифов. Огромная продуктивность и разнообразие коралловых рифов - эмерджентные свойства, характерные только для рифового сообщества, но никак не для его компонентов, живущих в воде с низким содержанием биогенных элементов.

       Деятельность организмов в экосистеме приспосабливает геохимическую среду к своим биологическим потребностям. Тот факт, что химический состав атмосферы и сильно забуференная физическая среда Земли резко отличаются от условий на любой другой планете Солнечной системы, позволил сформулировать гипотезу Геи. Согласно этой гипотезе именно живые организмы создали и поддерживают на Земле благоприятные для жизни условия. В табл. 1.1 представлен сравнительный анализ состава атмосферы Земли, Марса, Венеры, а так же гипотетической атмосферы, которая изменилась на Земле до появления жизни.

ТАБЛИЦА 1.1
Состав атмосферы планет Солнечной системы


 Содержание газов в атмосфере, %   Марс   Венера   Земля без жизни   Земля 
Двуокись углерода
Азот
Кислород
Тепература поверхности, °С
95
2.7
0.13
-53
98
1.9
следы
477
98
1.9
следы
290
0.03
79
21
13

       Скорее всего зеленые растения и некоторые микроорганизмы сыграли основную рать в формировании земной атмосферы с ее высоким содержанием кислорода и низким содержанием углекислого газа. Гипотеза Геи подчеркивает важность изучения и сохранения этих регулирующих механизмов, которые позволяют атмосфере приспосабливаться к загрязнениям, обусловленным деятельностью человека.

В состав экосистемы входят следующие компоненты:

  • неорганические вещества (С, О2, N2, Р, S, СО2, Н2О и др.), которые включаются в круговороты веществ
  • органические соединения (белки, углеводы, липиды и др.), связывающие биотическую (живую) и абиотическую (неживую) компоненты экосистемы
  • воздушная, водная и субстратная среды, включающие климатический режим и другие физические факторы
  • продуценты, автотрофные (самопитающиеся) организмы, в основном зеленые растения, которые, используя энергию солнечного света, синтезируют органические вещества из углекислого газа и воды
  • консументы первого порядка (растительноядные животные) и второго порядка (хищники), гетеротрофные организмы, в основном животные, питающиеся другими организмами
  • редуценты или деструкторы, в основном бактерии и грибы, живущие за счет разложения тканей умерших организмов
       Образование органических веществ зелеными растениями при использовании энергии солнечного света происходит в процессе фотосинтеза:

       У зеленых растений Н2О окисляется с образованием газообразного кислорода 02 при этом СО2 восстанавливается до органических веществ (в приведенном уравнении органическое вещество - глюкоза). У фотосинтезирующих бактерий синтезируются органические вещества, но не образуется кислород. Дыхание - процесс, обратный фотосинтезу, при котором органические вещества окисляются с помощью атмосферного кислорода.

       Редуценты, разлагая отмершие остатки организмов, освобождают биогенные элементы (С, О2, N2, Р, S и др.), которые поступают в круговорот, необходимый для существования экосистем.

       Каждый год продуцентами на Земле создается около 100 млрд т органического вещества, что составляет глобальную продукцию биосферы. За этот же промежуток времени приблизительно такое же количество живого вещества, окисляясь, превращается в СО2 и Н2О в результате дыхания организмов. Этот процесс называется глобальным распадом. Но этот баланс существовал не всегда. Примерно 1 млрд лет назад часть образуемого продуцентами вещества не расходовалась на дыхание и не разлагалась, так как в биосфере еще не было достаточного числа консументов. В результате этого органическое вещество сохранялось и задерживалось в осадках. Преобладание синтеза органических веществ над их разложением привело к уменьшению в атмосфере Земли углекислого газа и накоплению кислорода. Около 300 млн лег назад особенно большой избыток органической продукции привел к образованию горючих ископаемых, за счет которых человек позже совершил промышленную революцию. А более чем 60 млн лет назад выработалось колеблющееся стационарное соотношение между глобальной продукцией и распадом.

       Однако за последние полвека в результате хозяйственной деятельности человека, связанной главным образом со сжиганием горючих ископаемых, концентрация СО2 в атмосфере повысилась, а 02 - уменьшилась, что создает критическую ситуацию для устойчивости атмосферы. Таким образом, важнейшей характеристикой экосистем является круговорот веществ, определяемый глобальной продукцией и распадом.

       Следующей важнейшей характеристикой экосистем является их кибернетическое поведение. Кибернетическое поведение экосистем определяется тем, что они обладают развитыми информационными сетями, включающими потоки физических и химических сигналов, которые связывают все части экосистемы и управляют ею как единым целым. Отличие экосистем от кибернетических устройств, созданных человеком, заключается в том, что управляющие функции экосистемы сосредоточены внутри нее и диффузны. В кибернетических же системах, созданных человеком, управляющие функции направлены вовне и специализированы.

       При сравнении кибернетической системы с экосистемой можно найти нечто общее. В той и другой управление основано на обратной связи. Известно: что энергия обратной связи крайне мала по сравнению с инициируемой ею энергией, которая возбуждается в системе, идет ли речь о техническом устройстве, орг