Структура биосферы. Динамика популяций

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Биосфера (экосфера): ее общая характеристика и компоненты

Биосфера -- оболочка Земли, заселённая живыми организмами и преобразованная ими. Биосфера начала формироваться не позднее, чем 3,8 млрд. лет назад, когда на нашей планете стали зарождаться первые организмы. Она проникает во всю гидросферу, верхнюю часть литосферы и нижнюю часть атмосферы, то есть населяет экосферу. Биосфера представляет собой совокупность всех живых организмов. В ней обитает более 3 000 000 видов растений, животных, грибов и бактерий. Человек тоже является частью биосферы, его деятельность превосходит многие природные процессы и, как сказал В. И. Вернадский: «Человек становится могучей геологической силой».

Французский учёный-естествоиспытатель Жан Батист Ламарк в начале XIX в. впервые предложил по сути дела концепцию биосферы, ещё не введя даже самого термина. Термин «биосфера» был предложен австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом в 1875 году

Структура Биосферы:

Живое вещество -- вся совокупность тел живых организмов, населяющих Землю, физико-химически едина, вне зависимости от их систематической принадлежности. Масса живого вещества сравнительно мала и оценивается величиной 2,4…3,6·10¹² т (в сухом весе) и составляет менее одной миллионной части всей биосферы (ок. 3·10¹⁸ т), которая, в свою очередь, представляет собой менее одной тысячной массы Земли. Но это одна «из самых могущественных геохимических сил нашей планеты», поскольку живые организмы не просто населяют земную кору, а преобразуют облик Земли. Живые организмы населяют земную поверхность очень неравномерно. Их распространение зависит от географической широты.

Биогенное вещество -- вещество, создаваемое и перерабатываемое живым организмом. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через свои органы, ткани, клетки, кровь большую часть атмосферы, весь объём мирового океана, огромную массу минеральных веществ. Эту геологическую роль живого вещества можно представить себе по месторождениям угля, нефти, карбонатных пород и т. д.

Косное вещество -- продукты, образующиеся без участия живых организмов.

Биокосное вещество - вещество, которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя динамически равновесные системы тех и других. Таковы почва, ил, кора выветривания и т. д. Организмы в них играют ведущую роль.

Вещество, находящееся в радиоактивном распаде.

Рассеянные атомы, непрерывно создающиеся из всякого рода земного вещества под влиянием космических излучений.

Вещество космического происхождения.

биосфера экологический биологический популяция

2. Основные характеристики и кривые выживания популяции; динамика популяций

Популяция -- совокупность особей одного вида, занимающих определенный ареал, свободно скрещивающихся друг с другом, имеющих общее происхождение, генетическую основу и в той или иной степени изолированных от других популяций данного вида.

Плотность популяции регулируется четырьмя параметрами:

1. рождаемостью - числом особей, родившихся за определенный промежуток времени. Этот промежуток устанавливается в соответствующем масштабе биологического времени. Для бактерий он может быть равен одному часу, для планктонных водорослей - суткам, для насекомых - неделе или месяцу, для крупных млекопитающих (включая человека) - году;

2. смертностью - числом особей, умерших за ту же единицу времени (неважно, своей смертью или погибших, например, съеденных);

3. скоростью иммиграции особей - числом особей, появившихся в данной популяции, из других популяций (за ту же единицу времени);

4. скоростью эмиграции особей - числом особей, покинувших данную популяцию за единицу времени.

3. Кривые выживания

Для изучения закономерностей динамики популяций составляются таблицы выживания. В этих таблицах строками отражаются классы возраста, а в столбцах показывается число особей, которые сохранились или погибли.

Три типа кривых выживания.

Кривая I типа соответствует ситуации, когда смертность ничтожно мала в молодом и среднем возрасте, но в старом возрасте быстро увеличивается и все особи погибают за короткий срок. Перль назвал эту кривую «кривой дрозофилы». К кривой этого типа приближается кривая выживания человека в развитых странах.

Кривая II типа представляет ситуацию, когда во всех возрастных классах смертность особей одинакова. Такова динамика популяций многих рыб, пресмыкающихся, птиц, многолетних травянистых растений.

Кривая III типа выражает другой случай - массовую гибель особей в начальный период жизни, а затем низкую смертность выживших особей. Эту кривую Перль назвал «типом устрицы». Ей соответствует и возрастная динамика большинства видов деревьев: высока смертность всходов и молодых растений, однако с возрастом интенсивность самоизреживания резко снижается, и постепенно древостой достигает «конечной плотности», которая отражает особенности биологии вида и условий среды. Она тем ниже, чем благоприятнее условия (выше бонитет насаждений).

4. Экологическая ниша вида; Межвидовая конкуренция

В отсутствие конкурентов другого вида экологическая ниша представляет собой фундаментальную нишу (определенную сочетанием условий иресурсов, позволяющим виду поддерживать жизнеспособную популяцию). Однако в присутствии конкурентов виду приходится довольствоватьсяреализованной нишей, конкретные свойства которой определяются конкурирующими видами. Это различие подчеркивает, что межвидовая конкуренция приводит к снижению плодовитости и жизнеспособности и что в фундаментальной экологической нише может быть такая часть, занимая которую вид в результате межвидовой конкуренции не в состоянии больше жить и успешно размножаться. Эта часть фундаментальной ниши вида отсутствует в его реализованной нише.

Межвидовую конкуренцию можно наблюдать в смешанных лабораторных популяциях или в природных сообществах. Для этого достаточно искусственно удалить один вид и проследить, не возникнут ли изменения в обилии другого симпатрического вида со сходными экологическими потребностями. Если численность этого другого вида после удаления первого вида повысится, то можно сделать вывод, что прежде он подавлялся под действием межвидовой конкуренции.

Этот результат был получен в смешанных лабораторных попопуляциях Paramecium aurelia и P. caudatum (Гаузе, 1934) и в природных литоральных сообществах усоногих ракообразных (Chthamalus и Balanus) (Connell, 1961), а также в ряде сравнительно недавних исследований, например, на мешотчатых прыгунах и безлёгочных саламандрах (Lemen, Freeman, 1983; Hairston, 1983).

Межвидовая конкуренция проявляется в двух широких аспектах, которые можно назвать конкуренцией потребления и интерференционной конкуренцией. Первый аспект -- пассивное использование разными видами одного и того же ресурса.

Например, между различными видами кустарников в сообществе пустыни весьма вероятна пассивная или неагрессивная конкуренция за ограниченные ресурсы почвенной влаги. Виды Geospiza и других земляных вьюрков на Галапагосских островах конкурируют за пищу, и эта конкуренция -- важный фактор, определяющий их экологическое и географическое распределение по нескольким островам (Lack, 1947; В. R. Grant, P. R. Grant, 1982; P. R. Grant, 1986*).

Второй аспект, часто накладывающийся на первый, -- непосредственное подавление одного вида другим, конкурирующим с ним видом.

5. Человек как биологический вид; его среда обитания; биологические потребности

Человек как биологический вид (Homo sapiens) относится к царству Животные, типу Хордовые, классу Млекопитающие, отряду Приматы, семейству Гоминиды. Несмотря на большое сходство с другими человекообразными обезьянами, человек отличается от них рядом черт, связанных с прямохождением, членораздельной речью и общественным характером поведения. В связи с возникновением и развитием общественных законов и созданием искусственной среды обитания факторы эволюции практически перестали действовать в популяциях человека, что выразилось в увеличении продолжительности жизни человека и отдельных ее периодов, таких как детство, половое созревание и старение. За последние 10-15 лет ученые-биологи расшифровали геном человека и многих других организмов, научились управлять целым рядом генов как у бактерий, так и у более высокоорганизованных организмов; смогли внести желаемые гены в геномы культивируемых в сельском хозяйстве растений, получив генетически модифицированные или трансгенные организмы, клонировали некоторых животных и так далее. Однако роль всех этих достижений еще предстоит оценить, поскольку их отдаленные последствия еще неизвестны.

Среда обитания, окружающая современного человека, включает в себя природную среду, искусственную среду, созданную человеком и социальную среду.

Каждый день, живя в городе, прогуливаясь, работая, обучаясь, человек удовлетворяет широчайший круг потребностей. В системе потребностей человека (биологических, психологических, этнических, социальных, трудовых, экономических) можно выделить потребности связанные с экологией среды обитания. Среди них -- комфорт и безопасность природной среды, экологически комфортное жилище, обеспеченность источниками информации (произведениями искусства, привлекательными ландшафтами) и другие.

Естественные или биологические потребности -- это группа потребностей, обеспечивающая возможность физического существования человека в условиях комфортной среды, -- это потребность в пространстве, хорошем воздухе, воде и т.д., наличие подходящей, привычной для человека среды. Экологизация биологических потребностей связана с необходимостью создания экологичной, чистой городской среды и поддержание хорошего состояния естественной и искусственной природы в городе. Но в современных больших городах вряд ли можно говорить о наличии достаточного объема и качества нужной каждому человеку среды.

По мере роста промышленного производства выпускалось все больше разнообразных изделий и товаров, и вместе с тем резко возрастали загрязнения среды. Окружающая человека городская среда не соответствовала нужным человеку исторически сложившимся сенсорным воздействиям: города без каких-либо признаков красоты, трущобы, грязь, стандартные серые дома, загрязненный воздух, резкий шум и т.д.

Но все же, можно уверенно констатировать, что в результате индустриализации и стихийной урбанизации окружающая человека среда постепенно стала «агрессивной» для органов чувств, эволюционно приспособленных за многие миллионы лет к естественной природной среде. По существу, человек сравнительно недавно оказался в городской среде. Естественно, за это время основные механизмы восприятия не смогли приспособиться к измененной визуальной среде и изменениям в воздухе, воде, почве. Это не прошло бесследно: известно, что люди, живущие в загрязненных районах города более склонны к различным заболеваниям. Наиболее часто распространены сердечно-сосудистые и эндокринные расстройства, но встречается весь комплекс разнообразных заболеваний, причиной которых является общее понижение иммунитета.

Базовые биологические потребности. К ним, помимо пищи, воздуха, воды, одежды и жилища, можно отнести более сложные, но необходимые для человека условия:

* безопасность;

* тепловой, акустический, электромагнитный комфорт;

* состав воздуха, не приводящий к физиологическим или генетическим аномалиям и неприятным ощущениям;

* питьевая вода, не только не загрязненная и не угрожающая здоровью, но и приятная на вкус;

* сбалансированность питания, включая калорийность пищи, обеспечивающей энергетические потребности человеческого организма, а также наличие незаменимых элементов пищи, таких, как незаменимые аминокислоты, витамины, жиры, белки, углеводы;

* определенные вкусовые характеристики пищи и ее безвредность, т.е. экологическая чистота;

* продолжение рода и получение сексуального удовлетворения. Важнейшие биологические потребности.

Важнейшие биологические потребности.

К ним относятся:

* полноценный сон и отдых, т.е. релаксация;

* защита от заболеваний и антропогенных загрязнений;

* пространственный комфорт (определенное место в пространстве для каждого человеческого существа -- жизнь без переуплотнения);

* комфорт природной (биогенной) среды, причем необходима именно та природная среда, к которой исторически адаптирована данная группа людей;

* ландшафтная природная среда (определенная высота над уровнем моря, наличие или отсутствие определенных ветров, диапазон колебаний температуры и влажности атмосферного воздуха и т.п.);

* подвижность и труд (гиподинамия -- одна из базовых причин многих типичных болезней городского населения);

* информация, необходимая для здоровья и развития мозга (причем немаловажны и объем, и качество этой информации);

* биолого-социальный климат, т.е. определенное положение в иерархической структуре общества.

6. Кислотные дожди; их причины, последствия

Кислотные дожди - один из терминов, который принесла человечеству индустриализация. Неуемное расходование ресурсов планеты, огромные масштабы сжигание топлива, экологически несовершенные технологии - яркие признаки бурного развития промышленности, что в итоге сопровождается химическим загрязнением воды, воздуха и земли. Кислотные дожди - только одно из проявлений таких загрязнений.

Впервые упомянутое в далеком 1872 году, по-настоящему актуальным понятие стало только во второй половине 20 века. В настоящее время кислотные дожди - проблема для многих стран мира, в том числе США и практически всех стран Европы. Карта кислотных дождей, разработанная экологами всего мира, наглядно показывает зоны самого высокого риска опасных осадков.

Причины кислотных дождей

Определенный уровень кислотности имеет любая дождевая вода. Но в нормальном случае этот показатель соответствует нейтральному уровню pH - 5,6-5,7 или несколько выше. Небольшая кислотность объясняется содержанием в воздухе углекислого газа, но считается настолько низкой, что не наносит никакого вреда живым организмам. Таким образом, причины кислотных дождей связаны исключительно с деятельностью человека, и не могут быть объяснены естественными причинами.

Предпосылки для повышения кислотности атмосферной воды возникают, когда промышленные предприятия выбрасывают большие объемы оксидов серы и оксидов азота. Наиболее характерные источники таких загрязнений - это выхлопные газы автомобилей, металлургическое производство и тепловые электростанции (ТЭЦ). К сожалению, современный уровень развития технологий очистки не позволяет отфильтровывать соединения азота и серы, который возникают в результате сгорания угля, торфа, других видов сырья, что используются в промышленности. В итоге такие оксиды попадают в атмосферу, соединяются с водой в результате реакций под действием солнечного света, и выпадают на землю в виде осадков, которые и называют «кислотные дожди».

Последствия кислотных дождей

Ученые отмечают, что последствия кислотных дождей очень многомерны, и опасны как для людей и животных, так и растений. В числе главных специалисты называют следующие эффекты:

Кислотные дожди заметно повышают кислотность озер, прудов, водохранилищ, в результате чего там постепенно вымирает их естественная флора и фауна. В результате изменения экосистемы водоемов, происходит их заболачивание, засорение, повышенная илистость. Кроме того, в результате таких процессов вода становится непригодной для использования человеком. В ней повышается содержание солей тяжелых металлов и различных токсичных соединений, которые в нормальной ситуации поглощаются микрофлорой водоема.

Кислотные дожди приводят к деградации лесов, вымиранию растений. Особенно страдают хвойные деревья, так как медленное обновление листвы не дает им возможности самостоятельно устранять последствия кислотных дождей. Очень подвержены таким осадкам и молодые леса, качество которых стремительно падает. При постоянном воздействии воды с повышенной кислотностью, деревья погибают.

В США и Европе кислотные дожди - одна из распространенных причин плохих урожаев, вымирания сельскохозяйственных культур на огромных площадях. При этом причина такого ущерба кроется как в прямом воздействии, которое оказывают кислотные дожди на растения, так и в нарушениях минерализации почвы.

Кислотные дожди наносят непоправимый ущерб памятникам архитектуры, здания, сооружениям. Действие таких осадков вызывает ускоренную коррозию металлов, выход из строя механизмов.

При текущей кислотности, которую имеют кислотные дожди, в некоторых случаях они могут наносить прямой вред человеку и животных. Прежде всего, люди в зонах повышенной опасности страдают от заболеваний верхних дыхательных путей. Впрочем, не так далек тот день, когда насыщенность вредных веществ в атмосфере достигнет уровня, при котором в виде осадков будет выпадать серная и нитратная кислота достаточно высокой концентрации. В такой ситуации угроза здоровью человека окажется уже значительно более высокой.

7. Общий обзор инженерных методов защиты биосферы

Наиболее правильным инженерным решением проблемы снижения уровня и интенсивности антропогенного загрязнения ОС является использование максимально замкнутых безотходных и малоотходных технологий переработки сырья, комплексное использование всех его составляющих, сведение к минимуму количества газообразных, жидких, твердых и энергетических отходов непосредственно в технологических процессах. Концепция безотходного производства была выдвинута академиками Н.Н. Семеновым и И.В. Петряновым-Соколовым. Первоначально безотходным производством называли такой способ производства некоторой группы продуктов потребления, при котором наиболее рационально и комплексно используются сырье и энергия в цикле «сырьевые ресурсы -- производство -- вторичные сырьевые ресурсы -- отходы производства и потребления», и все воздействие на ОС, сопровождающее названный цикл, не нарушает ее (среды) нормального функционирования, т.е. под безотходным производством понималась замкнутая система, организованная по аналогии с природными экологическими системами.

В качестве промежуточного этапа на пути создания безотходного производства было предложено малоотходное производство -- способ производства (в рамках вышеназванного цикла), при котором воздействие на ОС не превышает уровня, допустимого санитарно-гигиеническими нормативами. При этом по объективным причинам (техническим, экономическим, организационным или иным) часть сырья и материалов переходит в отходы и направляется на длительное хранение или захоронение.

Ресурсосбережение наряду с энергосбережением1 должно развиваться по пути поиска и освоения новых современных технологических решений, что позволяет им быть весомыми дополнительными источниками сырья и энергии. Расчеты показывают, что одно только повсеместное внедрение энергосберегающих технологий позволяет стабилизировать уровень потребления топлива, причем при обеспечении более высокого жизненного уровня населения.

Термин «безотходное производство» в свое время получил достаточно широкое распространение во всем мире. Часто его синонимами считают такие понятия, как «безотходная технология», «безотходная технологическая схема» и даже просто «чистая технология».

В 70-х и 80-х годах прошлого века было затрачено много усилий для создания мало- и безотходных технологий переработки сырья и производства продукции, однако в конце концов был сделан вывод о принципиальной невозможности полного и повсеместного исключения отходов на уровне отдельных технологических процессов.

Критика концепции безотходного производства начинается с того, что создать такое производство нельзя ни практически, ни даже теоретически. Действительно, энергию в соответствии со вторым законом термодинамики невозможно трансформировать в работу на 100%, следовательно, энергетические отходы неизбежны. Однако концепция безотходного производства и не предполагает полное использование энергии. Вполне достаточно использовать ее максимально рационально.

Размещено на Allbest.ru