Основы экологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция №1

Предмет экологии

Экология - наука, изучающая существование живых организмов и взаимосвязи между организмами и между организмами и средой обитания. Главный объект экологии это экосистема.

Экосистема - это единый комплекс, образованный организмами и средой.

Предметом экологии является совокупность и структура связи между организмами и средой.

Классификация экологии

Основной частью экологии является общая экология, которая изучает общие закономерности взаимоотношений живых организмов и среды.

В составе общей экологии выделяют:

а) аутэкология - изучает индивидуальные связи отдельного организма и среды.

б) синэкология - изучает взаимоотношения популяций сообществ, экосистем со средой.

в) популяционная (демэкология) - изучает структуру и динамику популяций отдельных видов.

Исходя из факторов времени экологию разделяют на историческую и эволюционную.

Кроме того экология классифицируется по конкретным объектам и средам обитания (это экология растений, животных, микроорганизмов и т.д.).

На стыке экологии с другими науками развиваются:

- инженерная экология

- сельскохозяйственная

- космическая

- математическая.

Экологическими проблемами Земли, как планеты занимается глобальная экология, основным объектом изучения которой является биосфера, как глобальная экосистема. С научно-практической точки зрения экологию делят на теоретическую и прикладную.

Теоретическая экология - изучает общие закономерности организации жизни.

Прикладная экология - изучает механизмы разрушения человеком биосферы, способы предотвращения этого процесса, разрабатывает принципы рационального использования природных ресурсов. Ее научную основу составляют общие экологические законы, правила и принципы.

Задачи экологии

Общетеоретические задачи:

1. Разработка общей теории устойчивости экосистем.

2. Изучение экологических механизмов адаптации к среде.

3. Исследование регуляции численности популяции.

4. Изучение биоразнообразия и механизмов его поддержания.

5. Исследование продукционных процессов.

6. Исследование процессов, протекающих в биосфере с целью поддержания ее устойчивости.

7. Моделирование состояния экосистем и глобальных биосферных процессов.

Основные прикладные задачи:

1. Прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий в окружающей природной среде под влиянием деятельности человека.

2. Улучшение качества окружающей природной среды.

3. Сохранение, воспроизводство и рациональное использование природных ресурсов.

4. Оптимизация инженерных, экономических организационно-правовых, социальных и иных решений для обеспечения экологически безопасного устойчивого развития.

Стратегическая задача экологии

Стратегическая задача экологии - это развитие теории взаимодействия природы и общества на основе нового взгляда, рассматривающего человеческое общество как неотъемлемую часть биосферы.

Экологические факторы.

Организм получает информацию из окружающей среды в виде определенных факторов сигналов и реагирует на них.

Экологические факторы - это определенные условия элементов среды, которое оказывают воздействие на организмы.

Экологический фактор - это элемент или условие среды, на который реагирует организм.

Экологические факторы разделяют на:

- абиотические

- биотические

- антропогенные.

1)Абиотические факторы - это совокупность факторов неорганической среды, влияющих на жизнь и распространение животных и растений.

Их различают на:

- физические

- химические

- эдафические.

а) Физический фактор - это тот, источником которого служит физическое состояние или явление (температура, влажность, ветер).

б) Химический фактор - это тот, который происходит от химического состава среды (соленость воды).

в) Эдафический фактор (почвенный) - это совокупность химических, физических, механических свойств почв и горных пород, оказывающих воздействие на организмы, которые живут на поверхности и внутри почвы.

2)Биотические факторы это совокупность влияния жизнедеятельности одних организмов на жизнедеятельность других и на неживую (природу) среду обитания (микроклимат в лесу).

Их различают на:

- внутривидовые

- межвидовые

а) Внутривидовые складываются из группового и массового эффектов и внутривидовой конкуренции.

Групповой и массовый эффекты - это объединение животных одного вида в группы по двум или более особей и эффект вызванный перенаселением среды (демографический фактор). Они характеризуют динамику численности и плотность групп организмов на популяционном уровне, основу которой составляет внутривидовая конкуренция. Она проявляется в территориальном поведении животных, которые защищают места своего обитания и площадь в округе.

б) Межвидовые взаимоотношения:

- аменсализм

- конкуренция

- мутуализм

- протокооперация

- комменсализм

- хищничество

- антибиоз

- симбиоз.

Антибиоз - особи одного вида выделяют определенные вещества, которые оказывают угнетающее воздействие на особей другого вида.

Нейтрализм- это когда оба вида не зависимы и ни оказывают никакого воздействия друг на друга.

Мутуализм - организмы не могут существовать друг без друга.

Протокооперация - оба вида сообразуют сообщества, но могут существовать и отдельно, хотя сообщество приносит им пользу.

Аменсализм - один вид (агрессивный) вызывает у другого вида ослабление роста и иммунитета, причем 1-й вид приносит вред другому виду и не получает от этого ни какой пользы.

Конкуренция - каждый вид оказывает на другого неблагоприятное воздействие.

Комменсализм - 1-й вид комменсал извлекает выгоду от сожительства, а другой вид выгоды не получает.

Симбиоз - это любое сожительство организмов различных видов, приносящее пользу хотя бы одному из них.

Различают четыре вида симбиоза:

- взаимовыгодный

- квартиранство

- нахлебничество

- паразитизм.

3) Антропогенные факторы - факторы, порожденные человеком и воздействующие на окружающие факторы.

Положительные факторы: посадка лесов, создание новых видов животных и растений.

Отрицательные факторы: кислотные дожди, парниковый эффект, вырубка лесов, озоновые дыры.

Лимитирующие факторы. Законы лимитирующих факторов.

Лимитирующие фактор - это факторы, которые ограничивают развитие организмов из-за их недостатка или их избытка по сравнению с потребностью.

Закон Минимума (Юстус Либих):

Урожай (продукция) зависит от факторов находящихся в минимуме (закон касается химических элементов). Факторы могут быть лимитирующими, находясь и в максимуме.

Закон Митчерлиха:

Урожай зависит от совокупного действия всех факторов жизни растений (температура, влажность и т.д.)

Закон независимости факторов Вильямса:

Условия жизни равнозначны, не один из факторов не может быть заменен другим.

Закон толерантности Шелфорда:

Толерантность - степень устойчивости, величина выносливости к тем или иным факторам. Формулировка закона: «отсутствие или невозможность процветания, определяется недостатком (в качественном или количественном смысле) или избытком любого из ряда факторов, уровень которого может оказаться близким к пределам переносимого данным организмом» Любой живой организм имеет определенный эволюционно унаследованные верхний и нижний предел устойчивости (толерантности) к любому экологическому фактору.

Общий характер действия экологических факторов

При небольших значениях или чрезмерном увеличении фактора жизненная активность организма заметно угнетается. Наиболее эффективно действие фактора не при минимальных или максимальных его значениях, а при некотором его значении, оптимальном для данного организма. Диапазон действия или зона толерантности (выносливости) экологического фактора ограничен соответствующими крайними пороговыми значениями (точки минимума(1,3), максимума(2)) данного фактора, при которых возможно существование организма (рис.1).

Рис. 1

Точка на оси абсцисс, которая соответствует наилучшему показателю жизнедеятельности организма, означает оптимальную величину фактора это точка оптимума(2). Так как определить оптимальное значение фактора с высокой с высокой точностью бывает трудно , говорят о диапазоне значении последнего - о зоне оптимума или зоне комфорта. Таким образом, три точки (оптимума, минимума и максимума) составляют три кардинальные точки которые определяют возможные реакции организма на данный фактор. Крайние участки кривой выражающие состояние угнетения при недостатке или избытке фактора называются зонами пессимума. Рядом с критическими точками лежат сублетальные величины фактора, а за пределами зоны толерантности - летальные значения фактора, при которых наступает гибель организма.

Условия среды, в которых какой - либо фактор (или совокупность факторов) выходит за пределы зоны комфорта и оказывает угнетающее действие, в экологии часто называют экстремальными.

Организмы для жизни которым требуются условия, ограниченные узким диапазоном толерантности по величине температуры, называются стенотермными, а способные жить в широком диапазоне температуры эвритермные.

Организмы называются соответственно стенобионты и эврибионты.

Стенос от латинского узкий, и эврий от латинского широкий.

Состав экосистемы

Состав экосистемы:

- биоценоз

+ = биогеоценоз (экосистема)

- биотоп

Биоценоз - это группировка (совокупность) взаимодействующих между собой разных видов организмов, обитающих на одной территории (разные виды организмов).

Биотоп - условия окружающей среды на определенной территории (воздух, вода, почва).

Биогеоценоз - совокупность абиотических и биотических компонентов, имеет особую специфику взаимодействия и определенный тип обмена вещества и энергии.

Экосистема - это совокупность комплексов организмов с комплексом физических факторов его окружения.

Трофические взаимодействия

Трофические взаимодействия - это пищевые взаимодействия, они регулируют всю энергетику экосистемы в целом, основанные на принятии пищи.

Все организмы делятся на гетеротрофы и автотрофы.

Автотрофы - используют неорганические источники (вещества) для своего существования (растения, деревья), участвуют в фотосинтезе (прямая реакция).

Гетеротрофы - питаются готовыми органическими веществами (животные, человек) (обратная реакция).

8h?(8 квантов красного цвета)

СО2 + Н2О > (СН2О)п+О2 (глюкоза, если n=6)

Автотрофы Гетеротрофы

О2 + О > О3 - озон-образование озонового слоя

Автотрофы - продуценты (производители)

Гетеротрофы - консументы (потребители).

Редуценты - разлагают полуистлевшее вещество на простые вещества (грибы, черви, бактерии).

Экологическая ниша (э.н), экологическое дублирование

Унаследованные от предков, требования организмов к состоянию и режиму экологических факторов, определяют границы распространения этого вида к которому эти организмы принадлежат, т.е. определяют ареал , а в пределах ареала конкретные места обитания. Каждый вид растения микроба, животного способен нормально обитать, питаться, размножатся, только в том месте, где его «прописала» эволюция. Каждый вид живых организмов занимает в природе присущую только ему Э.Н. (состав и режим экологических факторов) и места, где эти требования удовлетворяются.

Э.Н. вместо вида биоценоза, его положение в пространстве его функциональная роль в соответствии с абиотическими средствами существования.

Э.Н. это ответ на вопрос как, где и чем питается вид, чей добычей он является, каким образом и где он размножается.

Хатчинсон предложил модель Э.Н. для организма, для которой характерно два лимитирующих фактора (рис 2) и модель Э.Н. для организма которой характерно 3-и лимитирующих фактора (рис 3).

Рис. 2

Рис. 3

экосистема биосфера природопользование

Экологическую нишу, определяемую только физиологическими особенностями организма называют - фундаментальной, а в пределах которой вид реально встречается в природе называется реализованной. Это та часть функциональной ниши, которую данная популяция способна отстоять, в конкурентной борьбе.

Э.Н. - это область комбинаций таких значений экологических факторов, в пределах которых данный вид может существовать неограниченно долго.

Экологическое дублирование

В случае исчезновения вида по каким-либо причинам его нишу занимает другой вид, способный выполнять те же обязанности, что и исчезнувший вид, то есть происходит экологическое дублирование.

Лекция №2

Энергетика экосистемы

Энергия передается от организма к организму, создавающих трофическую цепь, с одного трофического уровня на другой. Трофический уровень - это место каждого звена в пищевой цепи.

1-й трофический уровень продуценты.

2-й трофический уровень растительноядные консументы.

3-й трофический уровень плодоядные консументы.

Существуют определенные закономерности перехода энергии с одного уровня на другой вместе с пищей. Основная часть энергии, усваиваемая консументом с пищей, расходуется на его жизнедеятельность (траты на дыхание, Эд), другая часть энергии переходит в тело (организм) потребителя вместе с увеличением массы - энергия прироста (Эпр) и некоторая часть пищи и связанная с ней энергия не усваивается организмом, она выводится в окружающую среду вместе с продуктами проявления жизнедеятельности (Эпв). Эп - энергия потребл. пищей. (Эп(100%)=(Эд+Эпв)(90%) + Эпр(10%)). В последствии эта энергия усваивается другими организмами. Эпв - продукты выделения. Т.к. большая часть энергии при переходе с одного трофического уровня на другой трофический уровень теряется на следующий уровень переходит только 10% энергии от предыдущего уровня, из этого следует, что цепь питания имеет ограниченное число уровней (4,5), пройдя через них энергия рассеивается. Закономерности потока и рассеивания энергии имеют важные следствия: образование продукции связанно с рассеиванием энергии и особенно велики потери при переходе с первого уровня на второй. Например: растения, травоядные.

Не продуктивно потребление пищи с больших трофических уровней. Образование этой продукции связанно с рассеиванием энергии и особенно велики потери при переходе с 1-го уровня на второй.

Жизнь как термодинамический процесс

Термодинамика - это наука об энергии, о принимаемых ею формах, и о правилах ограничивающих превращение энергии из одной формы в другую.

1-е начало термодинамики:

Закон сохранения и превращения энергии, т.е. энергия переходит из одного состояния в другое, она не возникает, и не исчезает в ничего. Для 1-го начала термодинамики приминительно к живым организмам: в живом организме в процессе фотосинтеза солнечная энергия преобразуется в энергию химических связей, созданного автотрофом органического вещества, которая в последствии переходит от автотрофов к гетеротрофам, не исчезает, а переходит в другие формы, в том числе в тепловую форму, т.е. рассеивается.

2-е начало термодинамики:

Согласно 2-у началу термодинамики, если температура какого-либо тела выше, чем температура окружающей среды, то общая температура всей системы стремится к термодинамическому равновесию: тело будет отдавать энергию до тех пор, пока его температура не станет равной температуре окружающей среды. После чего наступает состояние термодинамического равновесия, и дальнейшие энергетические процессы оказывают невозможное.

О такой системе говорят, что она находится в состоянии максимальной энтропии. Энтропия отражает возможности превращения энергии, и рассматривается как мера неупорядоченной системы, хаоса. Для того, чтобы энтропия системы не возрастала, система должна извлекать упорядоченность организации из вне, т.е. извлекать из окружающей среды отрицательную энергию (негэнтропию). И живые организмы должны выполнять работу против уравновешивания с окружающей средой за счет образования сложноорганизованных упорядоченных молекулярных структур, и для производства этой работы экосистема должна получать собственную энергию или от солнца, если система автотрофна, или извлекая негэнтропию из растительной и животной пищи, используя упорядоченность химических связей, если система гетеротрофна. Возможен случай, когда вся накопленная энергия организма или системы полностью превратиться в тепловую энергию и рассеется. Это произойдет при гибели организма. При этом упорядоченный поток энергии прекращается, химические связи между молекулами разрушаются. Согласно 2-у началу термодинамики энергия любой системы стремится к термодинамическому равновесию, что равнозначно максимальной энтропии. В такое состояние перейдет и живой организм, если лишить его возможности извлекать энергию из окружающей среды.

О такой системе говорят, что она имеет максимальную энтропию.

Энтропия - отражает возможность превращения энергии, и рассматривается как мера хаоса неупорядоченной системы.

Экологическое равновесие и его нарушение

Экологическое равновесие (э.р.) - состояние экосистемы, при котором состав и продуктивность биотической части в каждый конкретный момент времени наиболее соответствует абиотическим условиям (почва, климат). Главная особенность э.р. -подвижность.

Различают 2-а вида подвижности экологического равновесия:

- обратимые изменения в экосистеме.

- экологические сукцессии

1) Обратимые изменения в экосистеме - изменения экосистемы, например, в течении года от весны к весне, колебании климата в разные годы, изменении роли некоторых видов в связи с ритмами их жизненного цикла. При таких изменениях видовой состав экосистемы сохраняется. Она лишь подстраивается к колебаниям внутренних и внешних факторов.

2) Сукцессия - процессы последовательной смены биоценозов протекающее под влиянием внутренних и внешних факторов.

В ходе сукцессии - возрастает продуктивность биоценоза, увеличивается его видовое разнообразие. Однако, прогрессивными процессами характеризуются только сукцессии, связанные с естественными постепенными воздействиями. Если же проходит быстрое массированное нарушение равновесия, часто при вторжении человека, системы не могут восстановить равновесие на прежнем уровне. В лучшем случае они заменяются другими менее продуктивными, в худшем происходит опустынивание т.е. уничтожение или резкое снижение биомассы экосистемы, с невозможностью ее самовосстановления.

Экологическое равновесие характеризуется 2-мя важными признаками:

1-е постоянство циклов питания элементов

2-е полное рассеивание поступившей в экосистему энергии.

Первый признак касается различных биогенных элементов (азота, углерода) в ходе их круговорота второй признак: экосистема поддерживает равновесие за счет того, что в нее поступает новая солнечная или хим. связанная энергия, которая затем рассеивается, переходя в другие виды энергии.

Э.р поддерживается в экосистеме сложными, механизмами взаимоотношений между живым организмами и неживой природой. Сложные механизмы поддерживают равновесие и изменение экосистемы в ходе сукцессии, делают экосистему тонким индикаторам экологических условий.

В целом экосистема обладает свойствами саморегуляции, т.е. автоматически устанавливать и поддерживать на относительно постоянном уровне показатели численности, рождаемости и смертности, входящих в нее популяций.

Биологическая продуктивность экосистемы

Одним из важнейших свойств организма - является способность создавать органическое вещество или продукцию. Образование продукта в единицу времени или единицу площади, объема - называется продуктивностью экосистемы. Продукция растений первична, продукция животных вторична.

Биомасса экосистемы - вся живая масса, которая содержится в системе независимо оттого, в какой период она образовалась. Она измеряется в Дж, калориях.

В экосистеме представленной однолетними организмами их годичная продуктивность и биомасса совпадает.

Соотношение биомассы и годовой продукции можно выразить формулой

Б=?А-?Д

Б - биомасса в данный момент времени

А - годовая продукция

Д - траты на дыхание - это масса живого веществ,а затрачиваемая на жизнедеятельность организма

Первичная продукция делится на 2-а уровня:

-Валовую

-Чистую

Валовая - общая масса валового органического вещества, создаваемая растением в единицу времени, при данной скорости фотосинтеза, включая траты на дыхание.

Та часть валовой продукции, которая не израсходована на дыхание, называется чистой первичной продукцией.

Вторичная продукция уже не делится (т.е. все гетеротрофы увеличивают свою массу за счет первичной продукции.

На образование биомассы расходуется не вся энергия, а та часть, которая создает первичную продукцию и может расходоваться в различных экосистемах по-разному. Если скорость ее изъятия консументами отстает от скорости прироста растений, это ведет к приросту биомассы продуцента, и возникает избыток мертвого органического вещества.

В стабильных сообществах вся продукция тратится в трофических цепях, и биомасса остается постоянной.

Экологические пирамиды

Функциональные взаимосвязи, т.е. трофическую структуру, можно изобразить графически, в виде так называемых экологических пирамид. Основанием пирамиды служит уровень продуцентов, а последующие уровни питания образуют этажи и вершину пирамиды.

Известны три основных типа экологических пирамид:

1) Пирамида чисел, отражающая численность организмов на каждом трофическом уровне (пирамида Элтона)

2) Пирамида биомассы, характеризующая массу живого вещества, калорийность на каждом троерическом уровне и.т.д.

3) Пирамида продукта (или энергии), имеющая универсальный характер показывающая изменение первичной продукции (или энергии) на последовательных трофических уровнях.

Пирамида чисел отображает отчетливую закономерность обнаруженную Элтоном: количество особей, составляющих последовательный ряд звеньев от продуцентов к консументам, неуклонно уменьшается. В основе этой закономерности лежит во-первых , тот факт, что для уравновешивания массы большого тела необходимо много маленьких тел, во-вторых, от низших трофических уровней к высшим теряется количество энергии (от каждого уровня до последующего доходят лишь 10% энергии) и в третьих, обратная зависимость метаболизма от размера особей (чем мельче организм , тем выше скорость роста их численности и биомассы).

В наземных экосистемах действует следующее правило пирамиды биомасс: «суммарная масса растений превышает массу всех травоядных, а их масса превышает всю биомассу хищников. Для экосистемы океана это правило недействительно - она имеет перевернутый вид. Для экосистемы океана характерна тенденция накапливания биомассы на высоких уровнях, у хищников, это значит, что хищники живут долго и скорость оборота и регенерации мала, а у продуцентов (фитопланктонных водорослей) оборачиваемость может сотни раз превышать биомассы. Это значит, что их чистая продукция и здесь превышает продукцию, поглощенную консументами, т.е. через уровень продуцентов проходит больше энергии, чем через всех консументов».

Отсюда понятно, что еще более совершенным отражением влияния трофических отношений на экосистему должно быть правило пирамиды продукции (или энергии) на каждом предыдущем трофическом уровне количество биомассы, создаваемой за единицу времени (или энергии), больше, чем, на последующем. Пирамида продукции отражает законы расходования энергии на трофических цепях.

В природе, в стабильных системах, биомасса изменяется незначительно, т.е. природа стремится использовать полностью валовую продукцию. Знание энергетики экосистемы того или иного количественные ее показатели позволяют учесть возможности изъятия того или иного количества растительной и животной биомассы без подрыва ее продуктивности.

Человек получает достаточно много продукции природных систем, тем не менее ,основным источником пищи для него является сельское хозяйство. Создав агроэкосистемы, человек стремится получить как можно больше чистой продукции растительности, но ему необходимо тратить половину растительной массы на выкармливание травоядных животных птиц и.т.д., значительная часть продукции идет в промышленность и теряется в отбросах, т.е. и здесь теряется около 90% чистой продукции и только около 10% непосредственно используется на потребление человеком.

Лекция №3

Состав, строение и границы биосферы

Всю совокупность организмов на планете Вернадский назвал живым существом, рассматривая в качестве его основных характеристик суммарную массу, химический состав и энергию

В состав биосферы входит:

биогенное вещество (продукты жизнедеятельности живых организмов: каменный уголь, газ, нефть, битумы);

биокосное вещество (продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами: почвы, кора выветривания и все природные воды, свойства которых зависят от деятельности на земле живого существа);

косное вещество - совокупность тех веществ в биосфере, в образовании которых, живые организмы не участвуют (горные породы, магматического и неорганического происхождения, вода, метеориты);

Следовательно, биосфера это та область земли, которая была охвачена влиянием живого вещества с современным названием биосфера. С современной позиции биосферу рассматривают, как наиболее крупную глобальную экосистему, поддерживающую планетарный круговорот веществ.

Современная жизнь распространяется в верхней части земной коры (литосфере), нижних слоях воздушной оболочки земли (атмосфере) и водяной (гидросфере).

В литосфере жизнь ограничена. Наибольшая глубина, на которой были обнаружены живые организмы (бактерии) составляет около 4 км. В океане жизнь распространяется на 10-11 км от поверхности, а верхняя граница жизни в атмосфере определятся уровнем озонового слоя (где-то на высоте 25-30 км) если живые организмы поднимутся выше защитного слоя озона, то погибнут. На суше более 99% живого вещества или биомассы сосредоточенны в слое на несколько 10-ов метров вглубь и на несколько метров вверх от поверхности. Допустимая доза излучения 0,15 бэр/год.

А 1 бэр - количество энергии любого излучения поглощенного биологической тканью, биологическое действие которого эквивалентно 1 рад рентгеновского излучения.

Бактерии обнаружены в водах ядерных реакторов и некоторые из них выдерживают облучении в несколько (2-3) млн. рад.

Температурный интервал распространения живых организмов -273°С до +180°С, давление 10^{-13 (-11)} (вакуумный) до 1000 и более атмосфер.

Вывод: выносливость жизни в целом к отдельным факторам среды намного шире диапазона тех условий, которые существуют в границах современной биосферы.

Живое вещество биосферы

Химический состав живых организмов во многом отличается от состава атмосферы и литосферы. Он ближе к химическому составу гидросферы по абсолютному преобладанию атомов водорода и кислорода. Но в отличие от гидросферы велика доля углерода, кальция и азота.

Живое вещество состоит из элементов являющихся водными и воздушными мигрантами, т. е. образующих газообразные и растворимые соединения. 99,9% массы живых организмов приходятся на те элементы, которые преобладают и в земной коре, составляя в них 98,8% их массы, но в других соотношениях, т. е. жизнь есть химическая производная земной коры. В организмах обнаружены все элементы таблицы Менделеева, т. е. они характеризуются те ми же химическими элементами, что и неживая природа. Элементы, содержащиеся в организмах по количественному признаку и функциональному критерию, т.е. в зависимости от количественного содержания и функциональной значимости делят на 3 группы:

1. макроэлементы

2. микроэлементы

3. ультрамикроэлементы

Макроэлементы составляют основную массу органических и неорганических живых организмов. Они требуются организмам постоянно и в большом количестве для осуществления жизнедеятельности цикла, концентрация их меняется от 60 до 0,001% массы тела.

Это О2, Н2, С, N, P, K,S и другие

Микроэлементы преимущественно ионы тяжелых металлов, являющихся компонентами ферментов, гормонов и др. Они нужны в меньших количествах от 0,001 до 0,00001% тела (Mn, B, Zn, AL, и т.д.)

Содержание ультромикроэлементов (уран, золото, радий, бериллий, силен, цезий) не превышает 0,00001% массы тела.

Физиологическая роль их в животных и растениях до сегодняшнего дня не выяснена.

Главной отличительной особенностью живого существа является способ использования энергии.

Живые существа уникальные природные объекты, могущие улавливать энергию, которая приходит из космоса в виде солнечного света, удерживать ее в виде органических соединений (биомассы), передавать ее, трансформировать в механическую энергию и другие виды энергии.

Другая способность - способность к самовоспроизведению, т.е. производству на протяжении многих поколений форм почти идентичных по структуре и функционированию.

Живое характеризуется исключительно высокой функциональной активностью. Она связана с его способностью к неограниченному развитию и количественному росту, который Вернадский назвал «напором жизни».

Круговорот веществ в природе

Биосфера земли характерезуется определенным образом сложившимся круговоротом веществ и круговоротом энергии.

Круговорот веществ это многократное участие веществ в процессах, протекающих в аква лито и биосферах. В зависимости от движущийся силы в круговороте веществ можно выделить:

1) Эндогенные процессы (процессы внутренней динамики происходят под влиянием внутренней энергии земли), это энергия выделяется в результате радиоактивного распада, химических реакций, образовании минералов, кристаллизации горных пород.

2) Экзогенные процессы протекают под влиянием энергии солнца, они включают выветривание горных пород и минералов, удаления пород переноса их с одного места на другое, отложение продуктов разрушенных пород. К ним относятся также геологическая деятельность в атмосфере, гидросфере (рек, озер). Крупные формы (горы, равнины) образуются за счет эндогенных продуктов. А мелкие (холмы) образуются за счет экзогенных процессов. Эндогенные процессы ведут к образованию крупных форм рельефа, а экзогенные к их сглаживанию. Основных круговоротов веществ в природе два:

1. Большой (геологический).

2. Малый биологический(биогеохимический).

Большой круговорот веществ в природе(геологический) он обусовлен взаимодействием солнечной энергии с глубиной энергии земли, и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами земли. Осадочные горные породы, образованные за счет выветривания магматических пород в подвижных зонах земной коры вновь погружается в зону высоких температур и давлений. Там они переплавляются и образуют магму (источник магматических парод). После поднятия этих пород на земную поверхность и действия процессов выветривания, вновь происходит превращения их в новые осадочные породы. Символом круговорота веществ является спираль, то есть круговорот это означает, что новый цикл круговорота не повторяет в точности старый, а привносит что-то новое, что со временем приводит к весьма значительным изменениям.

Большой круговорот, это и круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу.

Малый круговорот веществ в биосфере биогеохимический. Он существует лишь в пределах биосферы. Сущность его в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза, и превращение органические вещества при разложении вновь в неорганические соединения.

Главным источником энергии этого круговорота является солнечная энергия, которая является катализатором фотосинтеза. В ряде экосистем перенос вещества и энергии осуществляется посредством трофических цепей. Но в масштабах всей биосферы такой круговорот не возможен, здесь действует биогеохимический круговорот, представляющий собой обмен макро и микроэлементов и простых неорганических соединений с веществами гидро и литосферы. Это называться биогеохимическими циклами. Суть цикла: химические элементы поглощают микро организмы в последствии они (хим. элементы) покидают микроорганизмы, уходя в абиотическую среду, затем через какое-то время снова попадают в живой организм. Такие элементы называются биофильные. Этими циклами и круговоротом в целом, обеспечиваются важнейшие функции живого вещества в биосфере.

Вернадский выделяет 5-ть таких функций:

1) газовая -благодаря ей, происходит миграция газов и их превращения, формируется газовый состав биосферы. Все газы земли биотического происхождения, а все подземные газы продукт разложения отмершей органики.

2) концентрационная, она проявляется в извлечении и поглощении живым организмом, биогенных элементов из окружающей среды, которые используют их для построения своего тела. Концентрация этих элементов в теле живых организмов в сотни тысяч раз выше, чем во внешней среде. Среди этих элементов на первом месте С, а среди металлов первый Са.

3) Окислительно-восстановительная, заключается в химическом превращении веществ, которые содержат атомы с переменной степенью окисления (Fe, Mn, S). В результате происходит изменение большинства химических соединений, при этом преобладают биогенные процессы окисления и восстановления.

4) биохимическая - размножение и рост в пространстве живого вещества.

5) биогеохимическая деятельность человека охватывает все возрастающее количество веществ земной коры (уголь, нефть, газ) все это используется для хоз. нужд человека. В биогеохимическом круговороте следует различать 2-а среза:

1) резервный фонд, это огромная масса движущихся веществ не связанных с организмом.

2) обменный фонд, который обусловлен обменом общим биогенным веществом между организмами и их непосредственным окружением. Если же рассматривать биосферу в общем, в ней можно выделить: круговорот газообразных веществ с резервным фондом (океан и атмосфера) и осадочный цикл с резервным фондом в земной коре (геологический круговорот).

Биогеохимические циклы фосфора, кислорода, серы, азота, углерода

Биогеохимические циклы фосфора, кислорода, серы, азота, углерода наиболее совершенны. В круговороте углерода прослеживается трофическая цепь (углерод воздуха - продуценты - консументы - редуценты - углерод воздуха).

В мировом океане трофическая цепь:

-продуценты (фитопланктон);

-консументы (зоопланктон, рыбы);

-редуценты (микроорганизмы);

осложняется тем, что некоторая часть углерода мертвого организма, опускаясь на дно, уходит в осадочные породы и участвует в геологическом круговороте вещества.

Вмешательство человека приводит к увеличению содержания углекислого газа в атмосфере(парниковый эффект).

Скорость круговорота кислорода 2000 лет. Процесс круговорота кислорода в биосфере очень сложен т.к. (кислород) содержится во многих химических соединениях, и подчитано, что в биосфере на промышленные нужды расходуется 25% кислорода. Он восстанавливается в процессе фотосинтеза. В XXI веке весь продуцированный кислород будет сгорать в топках.

Биогеохимический круговорот азота охватывает все области Биосферы. Поглощение его растениями ограниченного. Редуценты (почвенные бактерии) постепенно разлагают отмершие организмы и превращают их в соли (нитраты и нитриты, соли аммония). Часть нитратов попадает в подземные воды и загрязняют их. Азот возвращается в атмосферу со вновь выделенными при гниении газами. Роль бактерий такова, что если будет уничтожено только 12 их видов, участвующих в круговороте азота, жизнь на Земле прекратится.

Биогеохимические циклы фосфора и серы менее совершенны, т. к. основная их масса содержится в резервном фонде Земли. Круговорот фосфора и серы типичный биогеохимический цикл, такие циклы легко разрушаются от различных воздействий, и часть обмениваемого материала выходит из круговорота.

Фосфор содержится в породах, образовавшийся в прошлые геологические эпохи. В биогеохимический цикл может попасть в случае подъема этих пород из глубин земной коры на поверхность суши, в зону выветривания.

Эрозийными процессами он выносится в море в виде известного материала апатита.

Общий круговорот фосфора делят на водную и наземную части. В водных экосистемах он усваивается фитопланктоном и передается по трофической цепи вплоть до консументов третьего порядка (морские птицы); их экскременты или трупы снова попадают в море вступают в круговорот, либо умирают на берегу и смываются в море. Из отмирающих морских животных, особенно рыб, Р снова попадает в море и в круговорот, но часть скелетов рыб достигает больших глубин и заключенный в них Р снова попадает в осадочные породы.

В наземных экосистемах фосфор извлекают растения из почвы, распределяют его по трофическим цепям, возвращают в почву после отмирания растений и животных и с их экскрементами. Теряется Р из почвы в результате водной эрозии; повышенное содержание Р, попадающий в экосистемы с моющими средствами вызывает бурное развитие сине-зеленных водорослей, а затем их гниение вследствие недостатка кислорода, поэтому вся экосистема гибнет

Сера имеет основной резервный фонд в почве и атмосфере. Сульфат-ион является основной формой серы, которая восстанавливается автотрофами, и входит в состав аминокислот. В наземных экосистемах сера возвращается в почву при отмирании растений, захватывается микроорганизмами, которые восстанавливают ее до сероводорода. Другие организмы и воздействие самого кислорода в воздухе приводит к окислению этих продуктов, и образуются сульфаты, растворяются и поглощаются растениями. Так, продолжается круговорот серы, который может быть нарушен человеком при сжигании ископаемого топлива, особенно каменного угля, а образующийся сернистый газ нарушает процессы фотосинтеза и приводит к гибели растений.

Лекция №4

Эволюция биосферы

Возникновение жизни на земле и биосферы на земле. (гипотезы)

Существует несколько гипотез о происхождении т.к. среди ученых нет единого мнения. Классифицировать их можно следующим образом:

1. а) по принципу, что идея (разум) первично, а материя вторично (идеалистическое)

б) по принципу, что материальное первично, а идеи и разум вторичны (материалистическое)

2. по принципу, что жизнь существовала всегда, и будет существовать вечно (гипотезы стационарного состояния)

3. по принципу, что живое только от живого (биогенеза) или возможно само зарождение живого от не живого (абиогеноза)

4. по принципу, что жизнь на земле была занесена из космоса (гипотеза панспермии)

Самые известные:

1. Жизнь была занесена творцом (идея разума)

2. Стационарного состояния жизнь и сама вселенная существовали всегда, и будут существовать вечно. Т.к. не имеющее начала не имеет и конца и вместе с тем существуют отдельные тела и образования (звезды, планеты, и.т.д.) ограниченно во времени. Они возникают, рождаются и погибают. Общепризнанной теорией образования вселенной является теория большого взрыва, согласно которой вселенная существует ограниченное время, она существует около 15 млрд лет.

3. Гипотеза панспермии.

Жизнь на земле была занесена из космоса и прижилась здесь после того, как на земле сложились благоприятные для этого условия. Вопрос о том, как возникла жизнь в космосе в силу объективных трудностей его решения, отодвигается на неопределенный срок. Она могла бы быть создана творцом, существовать всегда или возникнуть из неживой материи. В 1924 году А.И.Опарин высказал предположение, что живое возникло на Земле из неживой материи, в результате химической эволюции (сложных химических преобразований молекул) этому событию благоприятствовали сложившиеся на Земле условия. В 1953 году С.Миллер в лабораторных условиях получил ряд органических веществ из неорганических соединений. Была доказана принципиальная возможность неорганического пути образования биогенных органических соединений, но не живых организмов. А.И.Опарин полагал, что органические вещества могли создаваться в первичном океане из простых неорганических соединений. В результате накопления в океане органических веществ образовался “первичный бульон”. Затем, объединяясь, белки и другие органические молекулы образовали капли коацерватов, которые служили прообразом клеток. Капли коацерватов подвергались естественному отбору и эволюционировали.

1-е организмы были гетеротрофными. По мере исчерпания запаса, “первичного бульона” возникли автотрофы. С точки зрения теории вероятности, вероятность синтеза сверхсложных био молекул при условии случайных соединений их составных частей крайне низка.

К настоящему времени ни одна из существующих теорий прямыми доказательствами не обладает.

Учение Вернадского о биосфере

Биосфера - совокупность живых организмов на земле. По Вернадскому - биосфера - сфера единства живого и неживого. На основании уже выше изложенного, существует несколько вариантов происхождения жизни на Земле:

1. Жизнь возникла до образования Земли и была занесена на нее;

2. Жизнь зародилась после образования Земли;

3. Жизнь возникла с формированием Земли.

Вернадский считал, что нет убедительных научных данных, что живое когда-либо не существовало на Земле. Под биосферой Вернадский понимал оболочку Земли, в которой все процессы протекают под прямым воздействием живых организмов.

Вернадский сформировал три биологических принципа:

1. Биогенная миграция химических элементов в биосфере всегда стремится к своему максимальному проявлению;

2. Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию в биосфере устойчивых форм и размеров жизни, идет в направлении, усиливающем биологическую миграцию атомов.

3. Живое вещество находится непрерывно в общении с окружающей его средой, создается и поддерживается на Земле космической энергией Солнца.

Эти принципы соотносятся со следующими выводами Вернадского:

1) Начала жизни в том космосе, который мы наблюдаем, не было, поскольку не было начала этого космоса, жизнь вечна поскольку вечен космос и всегда передавалась путем биогеоценоза (от живого к живому).

2) Жизнь извечно присущая вселенной явилась новой на земле. Ее зародыши приносились из вне постоянно, но укрепились на земле лишь при благоприятных условиях.

3) Жизнь на земле была всегда, пока существовала планета. Это лишь время существования на ней жизни. Жизнь геологически вечно планетарная величина. Возраст планеты не определим

4) Жизнь никогда не была чем-то случайным, ютящимся на каких-то отдельных оазисах. Это противоречит расчетам, сделанным Вернадским о скорости захвата организмами пространства: для бактерий она сравнима со скоростью звука в воздушной среде. Вся загадочность тезиса о всегдашней оживленности планеты связана со словом всегда, т.е. понятием времени. Вернадский подчеркивал, что все характеристики жизни и времени совпадают: жизнь и время необратимы, они всегда направлены одинаковым образом из прошлого в будущее. Время биологически содержательно, Оно строится причинно обусловленными событиями: сменой поколений. Мерными единицами биологического времени Вернадский считал делящиеся бактерии. Он утверждал, что мы не имеем права говорить о времени до создания биосферы. “Всегда без жизни нет, а есть другие формулы времени, которые нам существам, принадлежащим биологическому времени, не столь близки и понятны”

5) Древнейшие формы жизни - дробянки способные выполнять функции в биосфере, значит, возможна биосфера, состоящая из одних прокариот. Вероятно, что таковая и была в прошлом (дробянки-сине-зеленные водоросли и бактерии, в них нет хромосом, нет полового процесса размножения).

6) Живое вещество не могло произойти от косного, между этими 2-я состояниями материи нет не каких промежуточных ступеней. Напротив, в результате воздействия жизни происходила эволюция земной коры.

Эмперическое обобщение Вернадского

1. Принципы целостности биосферы. Строение Земли есть согласованный механизм. “Твари земли являются созданием космического процесса, необходимой закономерной частью встроенного космического механизма” Само вещество (живое) не является случайным созданием.

2. Принцип гармонии биосферы и ее организованности. В биосфере по Вернадскому “все учитывается и все приспособляется с той же точностью, с той же механичностью и с тем же подчинением меры и гармонии, какую мы видим в стройных движениях небесных светил и начинаем видеть в системах атомов вещества и атомов энергии”.

3. Закон биогенной миграции атомов в биосфере, т.е. в биосфере миграция хим. элементов происходит при непосредственном участии живых организмов.

4. Всюдность жизни в биосфере. Жизнь, постепенно приспосабливаясь, захватила биосферу.

5. Закон бережливости в использовании живым веществом простых химических тел. Раз вошедший элемент проходит длинный ряд состояний и вводит в себя только необходимое количество элементов. Формы нахождения химических элементов:

1. Горные породы и минералы

2. Магмы

3. Рассеянные элементы

4. Живое вещество

6. Постоянное количество живого вещества в биосфере. Количество кислорода того же порядка (1.5*10^-21г) что и живого вещества (10²⁰ -10²¹ г), причем это справедливо в рамках значительных геологических отрезков времени, это следует из того, что живое вещество является посредником между солнцем и землей.

7. Никогда не наблюдается зарождение живого от неживого.

8. В геологической истории нет эпох, в которых не существовала бы жизнь

9. Современное живое вещество генетически родственно всем прошлым организмам

10. В современную эпоху живое вещество также влияет на химический состав земной коры, как и в прошлые эпохи. Биосфера в основных своих чертах представляет собой один и тот же хим. аппарат, самых древних геологических периодов. Жизнь оставалась в течение геологического времени постоянной, менялась только ее форма.

Концепция ноосферы.

Ноосфера - мыслящая оболочка, сфера разума, высшая стадия развития биосферы, сфера взаимодействия природы и общества, в пределах которой разумная деятельность человека становится главным определяющим фактором развития.

Ноосфера-среда, в которой природные ресурсы обмена вещества и энергии контролируются обществом, это естественное необходимое следствие человеческих усилий, преобразованная людьми биосфера соответственно познанным законом её строения и развития. Это новое состояние глобальной суперсистемы. Это совокупность трёх мощных подсистем: человек, производство, природа, три взаимосвязных элемента при активной роли подсистемы «человек». Становление ноосферы длительно, биосфера рано или поздно перейдет в ноосферу. Человек будет вынужден взять на себя ответственность за дальнейшую эволюцию планеты. Признаки превращения биосферы в ноосферу:

1. Возрастание количества механически извлекаемого материала земной коры (рост разработки месторождений полезных ископаемых). Геохимическая деятельность человека становится сравнимой по масштабам с геологическими и биологическими процессами.

2. Массовое потребление (сжигание) продуктов фотосинтеза прошлых геологических эпох ( нефть, газ и т.д.)

3. Рассеивание энергии в отличие от ее накопления в биосфере до появления человека является основанным следствием энергетического загрязнения биосферы.

4. Образование больших количеств веществ в природе ранее отсутствующих (чистые металлы, пластмассы и т.д.). В результате наблюдается химическое загрязнение биосферы, ее загрязнение промышленными отходами.

5. Создание в ничтожно малых количествах трансурановых хим. элементов (плутония и т.д.). Основание ядерной энергии за счет деления тяжелых ядер и термоядерной энергии за счет синтеза легких ядер. Возникает опасность теплового загрязнения радиоактивными отходами ядерной энергетики.

6. Расширение границ ноосферы за пределы Земли в связи с научным техническим процессом. Возникновение космонавтики обеспечило выход человека за предел планеты; ноосфера в будущем займет большее пространство, чем биосфера до появления человека, И создается принципиальная возможность создания искусственных биосфер на других планетах.

Классификация природных ресурсов

Ресурсы - то, что извлекается из природной среды для удовлетворения потребностей и желаний общества. Главное назначение ресурсов - удовлетворение материальных потребностей: то есть создание материальных благ. Природные ресурсы - природные объекты и явления, которые человек использует для создания материальных благ, обеспечивающих не только поддержание существования человечества, но и постепенное повышение качества жизни. Природные объекты и явления - различные тела и силы природы, используемые человеком как ресурсы.

В основу классификации положено 3 признака:

1. -по источникам происхождения

2. -по использованию в производстве

3. -по степени истощаемости ресурсов.

По источникам происхождения ресурсы делятся на:

- биологические

- минеральные

- энергетические

Биологические ресурсы - все живые средообразующие компоненты биосферы (консументы, продуценты) с заключённым в них генетическим материалом. К ним относятся промысловые объекты, культурные растения, домашние животные.

Минеральные ресурсы - все пригодные для употребления вещественные составляющие биосферы, используемые в хозяйстве как минеральное сырьё или источники энергии. Минеральное сырьё может быть рудным и нерудным. Если эти богатства используются как топливо, (атомная энергия) и одновременно как источник энергии (для получения пара и электричества), то их называют топливно-энергетическими ресурсами.

Энергетические ресурсы - это совокупность энергии солнца, термальных, атомно-энергетических, топливно-энергетических и других источников энергии.

Классификация по использованию в производстве:

-земельный фонд: земли, входящие по своему назначению в следующие категории:

- сельскохозяйственные

- не сельскохозяйственного назначения (промышленные)

-лесной фонд - это часть земельного фонда земли, на которой может произрастать лес

-водные ресурсы - это количество подземных и подводных вод, которые могут быть использованы для различных целей в хозяйстве

-гидроэнергетические

-ресурсы фауны (количество обитателей лесов, отмелей, используемые человеком, не нарушая экологического равновесия)

-полезные ископаемые (рудные, нерудные, топливно-энергетические) - природное скопление минералов в земной коре, которое может быть использовано в хозяйстве.

Истощение природных ресурсов с экологической точки зрения - это несоответствие между безопасными нормами изъятия природных ресурсов из природной экосистемы и недр и потребностями человечества.

Классификация по степени истощаемости:

a. Неисчерпаемые (ветер, солнце)

b. Исчерпаемте:

- возобновимые (лес) - способность к восстановлению через размножение и другие природные процессы за срок соизмеримый со сроком их потребления.

- относительно возобновимые (почва)

- невозобновимые (топливо) - не восстанавливается за срок существования человеческого общества.

Чем выше уровень использования извлеченных природных ресурсов, тем ниже уровень загрязнения окружающей природной среды.

Лекция №5

Понятие о природопользовании и охране окружающей среды

Под природопользованием понимают:

а) практическую деятельность человека

б) науку

Природопользование как практическая деятельность - это процесс эксплуатации природных ресурсов в целях удовлетворения материальных и культурных потребностей общества.

Природопользование как наука - это область знаний разрабатывающая принципы рационального (разумного) природопользования. Природопользование - междисциплинарная наука. Она включает в себя элементы географии, истории, биологии, охраны природы и т.д.

Фундаментом рациональным природопользованием является экология. И в зависимости от последствий хозяйственной деятельности человека различают рациональное и нерациональное природопользование.

...