Безпека життєдіяльності - Цапко В.Г - 3.1. СТАН ЛЮДИНИ ТА СЕРЕДОВИЩА, ДЕ РЕАЛІЗУЄТЬСЯ ЇЇ ДІЯЛЬНІСТЬ

3.1. СТАН ЛЮДИНИ ТА СЕРЕДОВИЩА, ДЕ РЕАЛІЗУЄТЬСЯ ЇЇ ДІЯЛЬНІСТЬ

3.1.1. Середовище, де реалізується діяльність людини

Біосфера — сфера життя, простір на поверхні земної кулі, в якому поширені живі істоти.

Фундаментальною відмінністю живої речовини від іншої е те, що вона охоплена еволюційним процесом, під час якого безперервно виникають нові форми живих істот. Різноманітні форми життя і їх багатофункціональність створюють основу стійкого обігу речовин і каналізованих потоків енергії. В цьому специфіка і гарантія стійкої біосфери як унікальної оболонки земної кулі.

Таким чином, біосфера (за В.І. Вернадським) е одною з геологічних оболонок земної кулі, глобальною системою Землі, в якій геохімічні і енергетичні перетворення визначаються сумарною активністю всіх живих організмів — живої речовини.

Активна діяльність живих організмів охоплює відносно невеликий прошарок оболонок нашої планети. Його межі визначаються комплексом умов, які забезпечують стійке існування сукупності живих організмів. До складу біосфери входять: нижня частина атмосфери, гідросфера і верхні шари літосфери, яка переважно змінилася під дією вивітрювання за участю живих організмів. Цим прошарком максимальних змін є ґрунт.

Кожна з цих геологічних оболонок планети має свої специфічні властивості, які визначають не тільки набір форм живих організмів, що мешкають в конкретній частині біосфери, але і їх основні фізіологічні особливості" які формують своїм впливом принципові шляхи еволюції і становлення фундаментальних ознак життєвих форм організмів, в тому числі й людини.

Таким чином, повітряна, водна оболонки і прошарок ґрунту, заповнені життям, є основними середовищами життя, що активно формують його склад і біологічні властивості.

Біосферні зв'язки складалися протягом тривалого часу. В природі не існує нічого зайвого і непотрібного. Саме існування підтримується за рахунок зв'язків у біосфері. їх суть у біосфері надзвичайно складна і визначена практично тільки у загальних рисах. Неживою частиною біосфери керують продуценти. Продуцентами керують консументи. Діяльність останніх визначають зворотні зв'язки, що йдуть від продуцентів.

Продуценти або автотрофи — це організми, що створюють органічну речовину за рахунок утилізації сонячної енергії, води, вуглекислого газу та мінеральних солей. До цього типу належать рослини (їх близько 350 тис. видів, за масою становлять 2,4 * 10¹² т).

Консументи або гетеротрофи — організми, що отримують енергію за рахунок харчування консументами. До них належать рослиноїдні тварини, хижаки і паразити, а також рослини- та гриби-хижаки (їх близько 1,5 млн, за масою складають близько 2,3*10¹⁰ т).

Редуценти — мікроорганізми, що розкладають органічну речовину продуктів і консументів до простих сполук — води, вуглекислого газу і мінеральних солей. Взагалі їх налічується 75 тис. видів, а сумарна маса дорівнює 1,8 * 10⁸ т.

Внаслідок здійснення біотичного кругообігу речовин у біосфері відбуваються такі процеси:

1) продуценти (рослини) в межах реалізації механізму фотосинтезу виробляють органічну речовину, споживаючи сонячну енергію, воду, вуглекислий газ і мінеральні солі. Хемопродуценти використовують енергію хімічних реакцій, наприклад, окислення сполук заліза або сірки, теж виробляють органічну речовину.

2) консументи (травоїдні тварини) живляться органічною масою рослин, консументи другого та третього порядків (хижаки, паразити, рослини- і гриби-хижаки) споживають інших консументів.

3) редуценти споживають частину поживних речовин, розкладають мертві тіла рослин і тварин до простих хімічних сполук (води, вуглекислого газу та мінеральних солей), замикаючи таким чином кругообіг речовин у біосфері.

Найголовнішою ланкою управління в біосфері є енергія. Першорядною є енергія Сонця, а другорядною — енергія внутрішнього тепла Землі та радіоактивного розпаду елементів.

Сонячна радіація характеризується щільністю світлового потоку, який досягає земної атмосфери як сонячна константа (R = 1352 Вт/м²). На одиницю площі всієї поверхні атмосфери припадає в середньому 1/4 сонячної константи. В цілому, близько 56 % Я цієї енергії йде на випаровування води. Під час конденсації вологи це тепло, що вилучається разом із залишком — 44 %, витрачається на нагрівання повітря, води, ґрунту. Обумовлені цим нагріванням конвекційні процеси в атмосфері і гідросфері реалізуються в природі як вітри та течії. Менше 1 % сумарної радіації вилучається при будь-яких фотохімічних реакціях в нижніх прошарках атмосфери, верхніх прошарках води і в клітинах рослин. Головна складова цих фотохімічних реакцій — фотосинтез. Світловий фактор є основним джерелом енергії для фотосинтезу. Тому світло має фундаментальне екологічне значення.

Основними факторами, що впливають на рослинний світ (крім світлового), є достатня температура, наявність високої концентрації С0₂, тривалість світлової доби.

Тривалість світлової доби визначається як фотоперіодизм.

Зміни фотоперіоду в середніх широтах випереджають зміни температури і пов'язані з ними "хвилі життя". Вони служать сигналом для початку періодичних сезонних змін життєдіяльності рослин, тварин і людини. Цей початок здійснює коригування шляхом впливу тривалості світлової доби на сигнальну систему з виробництва визначених гормонів, які викликають відповідні фізіологічні зміни в організмі.

Всі живі організми мають потребу в їжі. Ця потреба має два значення:

1) як джерело енергії для підтримки життя і здійснення своїх функцій;

2) як матеріал для побудови і оновлення своїх клітинних структур, для продукції і розмноження.

Кількість їжі на Землі визначається чистотою первинної продукції рослин. Це приблизно 140 млрд т в рік сухої речовини фіто-маси, в якій міститься енергія обсягом 2,3 • 10²¹ Дж. Таку кількість їжі за рік використовують гетеротрофи, у яких біомаса на порядок менша. Відповідно до правила одного відсотка на частку кінцевих консументів — в основному великих тварин — має припадати менше одного відсотка об'єму деструкції. Використання біомаси і біогенних продуктів не для споживання в природі відносно невелике, але надзвичайно значиме для людського господарства.

Вибірність споживання годувальних речовин має місце і в рослин, і у тварин. Будь-яка їжа є набором різних елементів у продуктах споживання, які завжди обов'язкові і незамінні, В умовах відсутності будь-якого з цих елементів (лімітуючого фактора) виникає порушення життєдіяльності аж до загибелі організму. Для нормального розвитку в їжі має бути певна кількість амінокислот, вітамінів і мікроелементів. Вплив на фізіологічний стан окремих особин, якісний і кількісний вміст їжі дає можливість відповідно впливати і на стан тварин, людей як в цілому, так і на їх динамічні характеристики — народження, інертність, темпи розвитку і якість потомства.

Кліматичні фактори, викликані потоками сонячної енергії, реалізуються тепловими процесами атмосфери. Виявлення цих процесів має місце в формуванні показників клімату.

В еколого-кліматичну характеристику місцевості входять: середньорічні величини і сезонні (помісячні) коливання температури, її добовий хід, мінімуми та максимуми, термін переходу температури через 0°, кількість опадів, випаровування вологи, сила та напрями вітру, вологість повітря, термін сонячного сяйва, сумарна сонячна радіація, радіаційний баланс та інші показники.

З усіх кліматичних факторів, пов'язаних з енергетикою біосфери, температура має найбільше екологічне значення. Вона регулює перетворення потоку енергії біля поверхні Землі та, в свою чергу, суттєво впливає на енергетику біоти.

Генеральна закономірність впливу температури на живі організми виражається дією її на швидкість обмінних процесів. Відповідно до загального правила для всіх хімічних реакцій, встановленого Вант-Гоффом, підвищення температури веде до пропорційного підвищення швидкості реакції. Різниця полягає в тому, що в живому організмі хімічні процеси завжди проходять за участю складних ферментних систем. Активність цих систем і швидкість біохімічних реакцій кількісно змінюється залежно від зовнішньої температури.

Величину температурного прискорення хімічних реакцій зручно виражати коефіцієнтом Q₁₀. Коефіцієнт показує у скільки разів підвищується швидкість реакції, коли підвищилася температура на 10 °С.

Коливання коефіцієнта температурного прискорення Q₁₀ здійснюється в межах 2—3.

В одному і тому ж організмі величина температурного прискорення біохімічних реакцій неоднакова для будь-яких процесів. Ця закономірність часто визначає межі температурної стійкості організму в цілому.

Життєві функції можуть мати місце у визначеному інтервалі температур. В зв'язку з цим розрізняють температурні пороги життя, вище і нижче яких життя неможливе.

Верхній температурний поріг життя теоретично визначається температурою "зсідання білка", що відповідає стану "теплової загибелі". У більшості тварин "теплова загибель" наступає раніше, ніж починають коагулювати білки.

Досягнення нижнього температурного порогу життя супроводжується порушенням діючих в організмі процесів. Наприклад, порушення діяльності серця під час слабкого охолодження проявляється в змінах ритмів скорочень серцевих м'язів, а при більш сильних — в її провідності і збудженні.

Важливе значення у визначенні нижнього температурного порогу життя мають структурні зміни в клітинах і тканинах, що пов'язано із замерзанням позаклітинної та внутріклітинної рідини. Під час утворення кристалів льоду відбувається механічне ушкодження тканин, що часто є безпосередньою причиною холодової загибелі. Крім того, утворення льоду руйнує обмінні процеси: зневоднює організм, підвищує концентрацію солей, руйнує білок.

Атмосфера. Сучасна атмосфера Землі за хімічним складом відноситься до азотно-кисневого типу.

Газовий склад атмосфери Землі складається з (вміст, об'ємні %): N₂ — 78,09 ; O₂ — 20,95; CO₂ — 0,03 та інертні (залишок).

Властивості газової оболонки Землі неоднакові за вертикаллю. Велике значення має зменшення атмосферного тиску. На висоті

6200 м його значення зменшується вдвоє відносно рівня моря. Цей фактор важливий для фотосинтезу через залежність цієї реакції від парціального тиску CO₂, а також для аеробних організмів, бо процес газообігу напряму залежить від величини парціального тиску кисню.

Велике значення для життя на Землі має озоновий прошарок. Він знаходиться на висоті 10—100 км; максимальна концентрація на висоті близько 20 км. Озоновий екран має велике значення для зберігання життя на Землі. В прошарку озону поглинається більша частина сонячного ультрафіолетового випромінювання (особливо це стосується короткохвильової частини, яка дуже небезпечна для живих організмів). В умовах існування озонового прошарку до поверхні Землі доходить тільки м'яка частина потоку цього випромінювання, яка необхідна для нормального розвитку і функціонування живих організмів без заподіяння їм шкоди.

Повітря як середовище життя має визначені особливості у впливі на еволюційний розвиток механізмів Землі. Високий зміст кисню (близько 21 % в повітрі) визначає високі енергетичні показники організмів.

З іншого боку — наявність зниженої і непостійної вологості впливає на водно-сольовий обмін і роботу легенів. Атмосфера є носієм тепла та вологи. Через неї відбувається також фотосинтез і обмін енергією. Атмосфера впливає на характер і динаміку всіх процесів на Землі.

Газова оболонка захищає все, що є на Землі від "зоряних уламків". Метеорити, що не перевищують розміру горошини, під впливом земного тяжіння з великою швидкістю (від 11 до 64 ^км/_с) потрапляють в атмосферу планети, нагріваються там в результаті тертя об повітря і на висоті 60—70 км згоряють. Атмосфера захищає Землю і від великих космічних уламків.

Велике значення атмосфери і в розподілі світла. Повітря атмосфери розбиває сонячні промені на мільйони малих променів, розсіює їх і утворює те рівномірне освітлення, до якого ми звикли. Наявність повітряної оболонки дає нашому небосхилу голубий колір.

Атмосфера є середовищем, в якому розповсюджуються звуки, без повітря на Землі була б невимовна тиша і не чутно було б людського спілкування.

Літосфера — це "кам'яна оболонка" Землі, верхня частина земної кори. Літосферу розглядають як частину біосфери. Звичайно насамперед мають на увазі її поверхню, що подрібнена в процесі фізичного, хімічного і біологічного вивітрювання і яка містить поряд з мінеральними також і органічні речовини. Ця частина літосфери, що має особливі властивості і функції, зветься ґрунтом.

Ґрунт є складною полідисперсною трифазною системою, яка включає тверду (мінеральні частини), рідку (ґрунтова волога) і газоподібну фази. Співвідношення цих трьох складових визначає основні фізичні властивості ґрунту як середовища помешкання живих істот. Хімічні властивості ґрунту суттєво залежать від органічної речовини, яка також є невід'ємною складовою часткою ґрунту.

Склад і розмір мінеральної частки (тверда фаза) визначає механічні властивості ґрунту. За розмірами тверді частки в ґрунті поділяються на великі (більше 30 мм в діаметрі) уламки материнської породи, гальку та хрящ (діаметр 3—30 мм), гравій (3—1 мм), пісок (1—0,25 мм), пил (0,25—0,01 мм) та мул (частки діаметром менш як 0,01 мм). Співвідношення цих категорій часток формує механічний (гранулометричний) склад ґрунту. За цими ознаками розрізняють ґрунти піщані (вміщують більше 99 % піску), супіщані (90—80 %), легкі, середні і важкі суглинки (відповідно 80—70 %, 70— 55 % і 55—40 %) і глини — легкі (40—30 %), середні (30—20 %) і важкі (менше 20 % піску). Тип ґрунтів залежно від їх механічного складу розподіляють за ступенем важкості їх обробітку.

Окремі мінеральні частки в складі ґрунту звичайно склеюються одна з іншою, формуючи більш чи менш великі агрегації, простір між котрими заповнений повітрям (газоподібна фаза) і водою (рідина). Співвідношення різних за величиною агрегацій мінеральних часток і відповідно розміри простору між ними (ступінь пористості чи бурильності ґрунту) визначають структуру ґрунту: брилоподібна, грудкувата, горіхувата, крупнозерниста, мілкозерниста, пилувата й ін. За ступенем пористості розрізняють ґрунти тонкопористі (діаметр пор менше 1 мм), пористі (1—3 мм), губчасті (3—5 мм), ніздрюваті (5—10 мм), коміркові (більше 10 мм), трубчасті (пори чи порожнеча з'єднуються в канальці).

Механічний склад і структура ґрунту — провідний фактор формування його властивостей як середовища помешкання живих організмів: аерації ґрунту, їх вологості і вологомісткості, тепломісткості і термічного режиму, а також умов переміщення в ґрунті тварин, розподіл коріння рослин та ін.

Мінеральні частки займають 40—70 % загального об'єму ґрунту. Залишки простору становлять систему пор, порожнечі і канальців, які зайняті повітрям та водою.

Вода (ґрунтова волога) може знаходитися в ґрунті в трьох станах: гравітаційному, капілярному і міцно-пов'язаному (гігроскопічному). Гравітаційна вода заповнює відносно великі (які не мають властивостей капілярності) пори і порожнечі в ґрунті; вона доступна для рослин. Попадаючи в ґрунт з поверхні переважно як результат атмосферних опадів, ця частка рідини є складним розчином, який має властивості залежно від складу розчинених речовин. Так, наприклад, рН ґрунтового розчину може коливатися від 3—3,5 (болота) до 10—11 (солонці). Від складу розчинених речовин залежить і роль ґрунтової вологи у водному режимі і харчуванні рослин.

Коли ґрунтові води знаходяться відносно неглибоко, ближня до них частина гравітаційної вологи через підпір залишається нерухомою (підперта нерухома волога). Непов'язана з ґрунтовими водами гравітаційна волога знаходиться в рухомому стані, рухаючись під дією сили тяжіння у вертикальному напрямі.

Вода, що заповнила пори малого діаметра, підпадає під вплив сил поверхневого натягнення капілярного меніску і "підсмоктується" доверху на відстань, обернено пропорційну діаметру капіляра. На цьому механізмі засновані зволоження ґрунту знизу (від горизонту підземних вод), а також втрата вологи ґрунтом випаровуванням її з ґрунтової поверхні. Останній процес у відповідних умовах (в посушливу, жарку пору року, особливо в степових, напівпустельних і пустельних регіонах) приводить до підняття сольового горизонту. Цю частину ґрунтової вологи звуть капілярною; вона утворює зволожений горизонт ґрунту.

Молекула води — диполь, тому через молекулярне притягання молекули легко утворюють плівки навколо дрібних мінеральних і колоїдних часток у ґрунті. Така плівка товщиною 2—3 молекули води утримується на поверхні часток з більшою силою, тому гігроскопічна (міцно пов'язана) волога недоступна для рослин. В засуху можуть виникати фізіологічні сухості ґрунту: волога в ґрунті є, але тільки в гігроскопічній, не вилученій рослинами формі.

Визначені типи структур ґрунту в сукупності з будь-якими формами вологи формують властивості вологоутримання, а також волого-проникнення і вологопідйому. Випаровуючись, ґрунтова волога визначає майже 100-відсоткову вологість ґрунтового повітря (крім верхніх горизонтів ґрунту).

Повітря заповнює пори і порожнечі, вільні від води. Воно проникає в Ґрунт з атмосфери шляхом дифузії газів між атмосферою і поверхневими горизонтами ґрунту за градієнтом тиску. Практично газообіг йде безперервно. Тому, в цілому, склад газоподібної фази ґрунту якісно наближається до складу атмосферного повітря, але відрізняється більш широкими коливаннями співвідношення будь-яких газів. Пояснюється це тим, що кисень активно поглинається ґрунтом у процесі дихання живих організмів і розкладання органічних залишків, активно продукуючи С02. Як наслідок, має місце (особливо влітку) вертикальний градієнт 02 і С02 в ґрунтовому повітрі.

Органічна речовина є обов'язковим компонентом ґрунту. Вона утворюється внаслідок розкладання загиблих організмів. Частина органічної речовини формується у самому ґрунті, значна частина потрапляє в ґрунт з наземних екосистем.

Склад органічних речовин різноманітний і включає компоненти, які утворюються на будь-яких стадіях розпаду складних вуглеводів, білків, жирів та інших речовин.

Найважливішою складовою, що формується у верхньому прошарку Землі є гумус. Накопичення гумусу на поверхні — результат життєдіяльності черв'яків, які збагачують ґрунт речовинами і сприяють його утворенню. Наявність гумусу в ґрунті обумовлює його родючість.

Як середовище життя ґрунт займає проміжне положення між атмосферою і гідросферою. Він характеризується структурованістю. В ньому можливе помешкання організмів, які дихають як за водним, так і за повітряним типом. В ґрунті має місце вертикальний градієнт проникнення світла, ще більш різкий, ніж в гідросфері. Все це визначає проникнення життя в ґрунт.

Гідросфера — сукупність всіх вод на Землі: материкових (глибинних, ґрунтових, поверхневих), океанічних і атмосферних. Океан займає близько 71 % поверхні Землі, внутрішні водоймища — 5 %.

Вода на Землі виконує чотири дуже важливі екологічні функції:

1) найважливішої мінеральної сировини, головного природного ресурсу споживання (людство використовує її в тисячу разів більше, ніж вугілля чи нафту);

2) основного інструменту у механізмі здійснення взаємозв'язків усіх процесів у екосистемах (обмін речовин, тепла, ріст біомаси);

3) головного агента-переносника глобальних біоенергетичних екологічних циклів;

4) основної складової всіх живих організмів.

Більшість сучасних вчених вважають, що життя народжувалося в океані, бо властивості водного океанічного середовища в багатьох випадках випередили хіміко-фізичну еволюцію всіх форм життя. Так, набір хімічних елементів, а частіше і кількісне співвідношення окремих іонів у тканинах живих організмів, близькі до складу морської води навіть у земних тварин, рослин і людини. Але в більшості випадків кількісний вміст іонів у тілі навіть морських організмів може відрізнятися від співвідношення їх у морській воді. Це пояснюється активним характером обміну речовин живих істот, їх здатністю вибіркового вилучення із середовища і затримання в своєму організмі солей.

Величезну роль відіграють води в формуванні поверхні Землі, її ландшафтів, у розвитку будь-яких процесів, перенесенні хімічних речовин вглиб планети і на її поверхні, транспортуванні забруднювачів довкілля. Водяна пара в атмосфері виконує функцію потужного фільтра сонячної радіації, а на Землі — нейтралізатора екстремальних температур, регулятора клімату.

Вода, що придатна для пиття, регламентується за ГОСТ 2874-82. Виділяють три групи показників, які визначають якість води:

а) показники, які характеризують властивості води;

б) які характеризують хімічний склад води;

в) які характеризують епідемічну безпеку води.

Визначені групи показників співвідносяться з загальними вимогами, які висуваються до якості питної води:

1) вода повинна бути прохолодною, мати гарні органолептичні властивості (бути прозорою, безбарвною, без присмаку і запаху);

2) вода має бути придатна за своїм хімічним складом. Концентрація токсичних хімічних речовин не повинна перевищувати ГДК, а для ряду нетоксичних речовин (солі, заліза, карбонатів та ін.) допустимі концентрації, які погіршують ЇЇ органолептичні властивості;

3) вода має бути безпечною в епідемічному відношенні. Не мати в своєму складі патогенних бактерій, вірусів та іншого.

Біотичний кругообіг. Кругообіг біогенних елементів обумовлений синтезом і розпадом органічних речовин в екосистемі. В основі цих процесів лежить реакція біотичного кругообігу речовин. Крім біогенних елементів в біотичний кругообіг залучені найважливіші для біоти мінеральні елементи і множина будь-яких сполук. Тому весь циклічний процес хімічних перетворень, обумовлених біотою, особливо коли мова йде про всю біосферу, звуть ще біогеохімічним кругообігом.

Для рівноваги в екосфері дуже велике значення має глобальна замкненість біотичного кругообігу. Кругообіг буде замкнений, коли існує точне рівняння сум прямих і зворотних витрат. Головними учасниками кругообігу є енергія, вуглець, азот, кисень, фосфор, вода.

Біосфера виступає взагалі як цілісна система. Найважливішою функцією біосфери є стійке підтримання життя, заснованого на безперервному кругообігу речовин, пов'язаному зі спрямованими потоками енергії. На рівні біосфери всі процеси поєднуються в єдину систему глобальної функції живої речовини.

В цілому біосфера дуже схожа на єдиний гігантський супер організм, у якому автоматично підтримується сталість фізико-хімічних і біологічних властивостей внутрішнього середовища.

Крім енергетичних, хімічних і харчових зв'язків, величезну роль відіграють інформаційні зв'язки.