Размещено на http://www.allbest.ru/

Теоретические основы экологии

1.Учение о биосфере

Газовая функция обеспечивает газовый состав биосферы, обусловливает миграцию и превращение газов. В процессе жизнедеятельности живого вещества создаются основные газы: азот, кислород, углекислый газ, метан и др.

Концентрационная функция проявляется в извлечении и накоплении живыми организмами биогенных элементов с окружающей среды, так как состав живого вещества значительно отличается от среднего состава Планеты. В нем преобладают легкие атомы водорода, кислорода, углерода, азота, кремния, серы, хлора, калия, кальция. Концентрация этих элементов в организмах намного выше, чем во внешней среде.

Окислительно-восстановительная функция заключается в химическом превращении главным образом атомов с переменной валентностью (соединения железа, алюминия, марганца), что приводит к превращению большинства химических соединений. На поверхности Земли преобладают биогенные процессы окисления и восстановления.

Деструкционная функция обусловливает процессы, связанные с разложением организмов после их смерти. Происходит минерализация органического вещества или превращение живого вещества в косное, что приводит к образованию биогенного и биокосного вещества биосферы.

Таким образом, по современным представлениям, биосфера - это своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества Планеты, которая находится в непрерывном обмене с ним.

Живые организмы, получая поток энергии солнечного излучения, преобразуют его, вовлекают в химические реакции неорганическую материю и создают непрерывный круговорот веществ и энергии. По подсчетам В.И. Вернадского, биомасса всех организмов Земли достигает 10¹⁵ т, что составляет лишь 0,25% массы всей биосферы. Общая масса сухого вещества фитомассы около 2,42 *0¹² т, или 99% всего живого вещества на Земле. Роль живого вещества огромна. Нынешний газовый состав атмосферы, почвенный покров, полезные ископаемые-- результат деятельности живого вещества прошлых эпох.

2.Процессы масс- и энергообмена в экосистемах

Особенность биосферы, этой тонкой пленки планеты, где протекает жизнь, состоит в биотическом круговороте веществ. В процессе эволюции за несколько миллиардов лет биосфере «отработана» совершенная замкнутая система, которая по упрощенной схеме выглядит следующим образом: растения потребляют углекислоту и выделяют кислород (продуценты); животные потребляют кислород, поедают растения и выделяют углекислоту (консументы); мертвых животных и растения («отходы производства») перерабатывают бактерии, грибы, простейшие, насекомые и другие редуценты (деструкторы), которые разрушают их, превращая в минеральные или простые органические соединения, потребляемые растениями. Непрерывность этого процесса обеспечивается распадом и разложением конечных продуктов.

Биологический круговорот -- постоянная циркуляция вещества и движение энергии между почвой, растительным и животным миром и микроорганизмами, связанные с существованием и жизнедеятельностью организмов. Основа биологического круговорота -- образование в процессе фотосинтеза первичной растительной продукции, превращение ее во вторичную (в частности, в животную) и ее распад.

Активное движение органического вещества в биогеоценозах (экологических системах) осуществляется по пищевым (трофическим) цепям. Пищевой цепью называется ряд живых организмов, в котором одни поедают предшественников по цепи и, в свою очередь, оказываются съеденными теми, которые следуют за ними. Пищевые цепи первого типа начинаются с живых растений, которыми питаются травоядные животные. При этом выделяются следующие категории организмов:

1.Продуценты -- преимущественно хлорофиллоносные растения. Под влиянием солнечных лучей в процессе фотосинтеза растения (автотрофы) образуют органическое вещество, т. е. накапливают потенциальную энергию, содержащуюся в синтезированных углеводах, белках и жирах растений. В наземных экосистемах основные продуценты -- зеленые цветковые растения, в водной среде --микроскопические планктонные водоросли.

2. Консументы -- гетеротрофные организмы, потребители органического вещества, созданного автотрофами. К первичным консументам относят травоядных животных, а также паразитов (животных и растения) зеленых растений. Среди травоядных животных в наземной среде преобладают насекомые, грызуны и копытные, а в водной -- мелкие ракообразные и моллюски. Вторичные консументы питаются травоядными животными, т. е. относятся к плотоядным (или всеядным). Третичные консументы питаются вторичными (это не единственный их корм), т. е. хищниками (например, беркут поедает лисицу или волка), поэтому их называют иногда хищниками хищников. Состав вторичных и третичных консументов разнообразен: здесь и хищники, убивающие свою добычу, и паразиты, и трупоеды.

3. Биоредуценты (деструкторы) -- организмы, разлагающие органические вещества, преимущественно микроорганизмы (бактерии, дрожжи, грибы-сапрофиты), поселяющиеся в трупах, экскрементах, на отмирающих растениях и разрушающие их.

Зеленые растения-автотрофы используют для процессов фотосинтеза 1...3% получаемой энергия Солнца; с учетом того, что 80…90% образовавшихся углеводов разрушается в процессе дыхания растения, эффективность фотосинтеза составляет 0,1...0,5%. Для образования биомассы травоядных животных затрачивается в среднем 1% энергий растительного корма (потери 99%).

Если зеленые растения в средней поглощают в день на 1 м² 1500 кал солнечной энергии, то 15 кал будет запасено в виде чистой растительной продуктивности; в тканях жвачных животных аккумулируется 1,5 кал на уровне первичных консументов и 0,15 кал - вторичных. Это и будет «пирамидой чисел», т. е. экологической пирамидой при схематическом изображении пути вещества и энергии в трофических системах.

Все наземные экосистемы производят около 50 млрд. т органического вещества в год; примерно такова же первичная продуктивность океанов. Следовательно, ежегодно в биосфере образуется примерно 100 млрд. т органического вещества. Биомасса наземных животных не превышает 1% биомассы растений, причем около 95% ее приходится на беспозвоночных.

Биомасса организмов формируется в основном из соединений кислорода, углерода и водорода. Поэтому в биологической круговорот входит, очевидно, цикл круговорота этих элементов в биосфере, вызванный рождением, питанием, гибелью и разложением организмов. Главный источник кислорода в атмосфере -- растения, которые на суше производят 53*10⁹ т этого газа в год, а в океанах--414*10⁹ т. Скорость круговорота кислорода в биосфере, т. е. время, в течение которого весь он проходит через живое вещество -- 2 тыс. лет.

Первое звено круговорота углерода -- поглощение его растениями из углекислого газа, содержащегося в атмосфере, при фотосинтезе, второе--использование органических веществ животными при питании и частичное возвращение углерода в атмосферу при их дыхании. Кроме того, часть органического вещества (опад у растений, отбросы у животных), содержащего углерод, уходит в почву (с частичным возвратом в атмосферу). Скорость кругооборота углерода в биосфере 700 лет. Существуют также круговороты водорода, азота и других химических элементов, составляющие часть общего биологического круговорота.

3.Возникновение и эволюция биосферы

Жизнь на Земле возникла задолго до образования кислородной атмосферы. Вероятно, первые организмы и фотосинтезиующие растения появились в воде, где жизнь была лучше защищена от ультрафиолетового излучения, пока не образовался озонный экран. Видимо, с момента возникновения первых живых организмов до образования кислородной атмосферы прошло не меньше миллиарда лет. Кислородная атмосфера сформировалась около 3,5 млрд. лет тому назад, когда и сложился биотический круговорот.

Дальнейшая эволюция биосферы приводила к усложнению ее структуры в результате появления многоклеточных и прогрессивного развития различных групп растений и животных. При этом в процессе эволюции соотношение различных групп организмов отражало их взаимозависимость.

По современному мнению, возраст Земли оценивается в 4,55 млрд. лет, а сохранившиеся древнейшие участки земной коры - в 4 млрд. лет.

На основании данных палеонтологии, геохимии и космохимии эволюцию биосферы Земли можно представить в виде 3 последовательно сменяющих друг друга этапов.

Первый этап - восстановительный. Начался в космических условиях и завершился появлением на Земле первой гетеротрофной биосферы. На этом этапе протекали каталитические и радиохимические реакции синтеза сложных органических соединений, отсутствовал свободный кислород, основным источником живых организмов была радиация. Первым этапом эволюции было возникновение жизни из неживой природы. Органические молекулы подвергаются процессам синтеза и разрушения, причем продукты распада молекул служили материалом для построения других соединений. Этот период, вероятно, был коротким во времени.

Второй этап - слабоокислительный. Характеризуется появлением фотосинтеза. Продолжался в интервале времени 4 - 1,8 млрд. лет тому назад. Свободного кислорода образовывалось мало, атмосфера состояла преимущественно из углекислого газа. Развитие организмов ограничивалось прокариотами.

Третий этап - окислительный. Появилась фотоавтотрофная биосфера. Начался с медленного возрастания содержания кислорода в атмосфере и сменился значительным ускорением эволюции организмов. На этом этапе образовалось количество кислорода, достаточное для появления растительного покрова и животных на континентах, что резко увеличило продукцию фотосинтеза.

Так как биологическая эволюция - процесс необратимый, то она определила необратимость эволюции всей биосферы и подготовила биосферу к новому состоянию - ноосфере или сфере Разума, когда все изменения в биосфере должны управляться творческой работой человека.

4.Понятие экологической системы

Термин “экосистема” впервые было введен в научный обиход английским ботаником А. Тенсли в 1935 г., который предложил считать экосистемой любую совокупность совместно обитающих организмов (автотрофов и гетеротрофов) и необходимую для их существования абиотическую среду.

Экологическая система (экосистема) -- взаимосвязанная единая функциональная совокупность организмов и абиотической среды их обитания. Оба составляющих компонента экосистемы (биотический и абиотический) имеют обоюдное влияние друг на друга и необходимы для поддержания функционирования системы.

Основу экологической системы, как и биосферы (глобальной экосистемы) в целом, составляет круговорот веществ под воздействием энергии. Все живые организмы, населяющие экосистему, выполняют в ней строго определенную функцию: одни (продуценты) перерабатывают накапливают солнечную энергию в органоминеральных веществах, другие (консументы) потребляют эти вещества и накопленную энергию, а третьи (биоредуценты) обеспечивают минерализацию органического вещества, завершая, таким образом, внутренний круговорот веществ в системе.

Для каждой экологической системы свойственны определенные пищевые цепи. В то же время общий принцип экосистемы состоит в том, что одни организмы служат пищей другим, которые, в свою очередь, служат пищей третьим и т.д.; каждый биотический компонент, играя в экосистеме строго определенную роль, занимает в ней и вполне определенную экологическую нишу.

В ходе геологической истории Земли в биосфере установилось равновесие между экологическими системами и внутри них; сложился непрерывный обмен веществ и энергии как между отдельными составными компонентами внутри экосистем, так и с другими экосистемами (биогеоценозами). Изменения во внешней, абиотической среде вызывают со стороны экосистемы ответную реакцию, которая может привести либо к устранению этих изменений, либо вызвать перестройку самой экосистемы. В ходе эволюционного развития Земли природные условия изменялись неоднократно, и экосистемы соответственно реагировали на эти изменения. На протяжении столетий и тысячелетий экологические системы нивелировали или полностью устраняли последствия хозяйственной деятельности человека.

Во второй половине XXв. экосистемы часто не справляются с усложнившимися нагрузками антропогенного характера. Дело в том, что в ряде районов Земли устойчивость экологических систем настолько нарушилась, что их саморегуляция не в состоянии восстановить утраченное равновесие.

5.Свойства экосистем

Согласно общей теории систем, экосистема обладает общими свойствами, характерными для сложных систем. К таким свойствам относятся: эмерджентность, принцип необходимого разнообразия элементов, устойчивость, вид обмена веществ или энергии, эволюция.

Эмерджентность системы - степень несводимости свойств системы к свойствам составляющих ее элементов. Свойства системы зависят не только от составляющих ее элементов, но и от особенностей взаимодействия между ними.

Принцип необходимого разнообразия элементов. Любая система не может состоять из абсолютно одинаковых элементов. Поэтому для функционирования любой системы необходимым условием является наличие разнообразия элементов, ее составляющих. Нижний предел разнообразия равен двум, верхний - бесконечность. Разнообразие и наличие разных фазовых состояний вещества, составляющих экосистему, определяют ее гетерогенность.

Устойчивость динамической системы и ее способность к самосохранению зависит от преобладания внутренних взаимодействий над внешними. Если внешнее воздействие на биологическую систему превосходит энергетику ее внутренних взаимодействий, то это может вызвать необратимые изменения или гибель системы. Устойчивое или стационарное состояние динамической системы поддерживается непрерывно выполняемой внешней работой, для чего необходим приток энергии, ее преобразование в системе и отток за пределы системы.

По виду обмена веществом и энергией с окружающей средой системы различают следующим образом:

- изолированные системы (никакой обмен не возможен);

- замкнутые системы (обмен веществом невозможен, а обмен энергией может происходить в любой форме);

- открытые системы (возможен любой обмен веществом и энергией). Системы, которые взаимосвязаны потоками вещества, энергии и информации, носят название динамических. Любая живая система представляет собой динамическую открытую систему.

Принцип эволюции: возникновение, существование и развитие всех систем обусловлено эволюцией. Динамические самоподдерживающиеся системы эволюционируют в сторону усложнения и возникновения системной иерархии (образование подсистем). Эволюция любой экосистемы ведет к увеличению суммарного протока энергии через нее. С увеличением разнообразия и сложности системы происходит ускорение эволюции.

Все без исключения экосистемы и даже самая крупная - биосфера являются открытыми, поэтому для функционирования они должны получать и отдавать энергию.

Составляющие экосистемы - это поток энергии, круговорот веществ, биотический и абиотический компоненты и управляющие петли обратной связи.

Общей чертой всех экосистем является взаимодействие автотрофных и гетеротрофных компонентов. Организмы, участвующие в различных процессах круговорота, разделены в пространстве: автотрофные процессы наиболее активно протекают в верхнем ярусе, куда проникает солнечный свет, гетеротрофные - в нижнем ярусе, где в почвах и осадках накапливаются органические вещества.

6.Классификация экосистем

Наиболее распространены два типа признаков для классификации экосистем - функциональные и структурные.

Пример классификации экосистем по структурному признаку - разделение экосистем по биомам, или биомная классификация. Биом - совокупность сообществ, возникшая в результате взаимодействия регионального климата, биоты и субстрата. В наземных экосистемах признаком классификации является растительность, которая отражает особенности организмов, климатических, почвенных и гидрологических условий. В водных экосистемах, где растительность менее заметна, в основе классификации используются главные физические черты. Например, лентические и лотические воды, открытый океан и т.д.

В зависимости от природных и климатических условий можно выделить следующие типы природных экосистем (по Ю.Одуму, 1986):

Наземные биомы:

- тундра: арктическая и альпийская;

- бореальные хвойные леса;

- листопадный лес умеренной зоны;

- тропический грасленд и савана;

- чапараль - районы с дождливой зимой и засушливым летом;

- пустыня: тропическая и кустарниковая;

- полувечнозеленый тропический лес: выраженный влажный и сухой сезоны;

- вечнозеленый тропический дождевой лес.

Типы пресноводных экосистем:

- лентические (стоячие воды): озера, пруды;

- лотические (текучие воды): реки, ручьи;

- заболоченные угодья: болота и болотистые леса;

Типы морских экосистем:

- открытый океан (пелагическая)

- воды континентального шельфа (прибрежные воды);

- районы апвеллинга (плодородные районы с продуктивным рыболовством);

- эстуарии (прибрежные бухты, проливы, устья рек, соленые марши и т.д.).

В этой классификации наземные биомы выделяют по естественным или исходным чертам растительности, а типы водных экосистем - по гидрологическим и физическим особенностям.

7.Общая характеристика природных ресурсов

В общем смысле под ресурсами понимают любые источники и предпосылки получения необходимых людям материальных благ. Существует множество различных классификаций ресурсов. Экологов в первую очередь интересуют ресурсы природные то есть вся совокупность естественных продуктов природы, используемых человеком для удовлетворения материальных культурных потребностей.

Естественные (природные) ресурсы и компоненты -- части всей совокупности природных условий существования человечества и важнейшие составные части окружающей его естественной среды, которые используются или могут быть использованы в производственных или других целях. К природным ресурсам (богатствам) относят воду, почву, солнечное тепло, солнечную радиацию, полезные ископаемые, энергию приливов и отливов, животный мир, растительность, внутриземное тепло, силу ветра.

Природные ресурсы и компоненты принято делить на исчерпаемые и неисчерпаемые. К первым относят богатства недр, почву, растительный и животный мир. Ко вторым -- воду, солнечную радиацию, энергию приливов и отливов, внутриземное тепло. Компоненты биосферы следует отнести к неисчерпаемым составляющим биосферы. Исчерпаемые ресурсы, в свою очередь, подразделяются на возобновимые (почва, флора и фауна, сырье) и невозобновимые (богатства недр).

Используемые в производстве природные ресурсы в зависимости от их количества, качества и индивидуальных особенностей дифференцируют по характеру использования. Например, при планировании и использовании возобновимых ресурсов предусматривают допустимые размеры изъятия и меры для ускорения их возобновления; в отношении невозобновимых ресурсов принимают меры для экономного их расходования, вторичного применения, изыскания заменителей и т. л.

К первой группе прежде всего относятся биологические ресурсы - растительность и животный мир. Это лесные ресурсы, ресурсы сельскохозяйственных растений, диких и домашних животных. Сюда же можно отнести и некоторые минеральные ресурсы, например выпадающие в осадок соли в соленых, водоемах. При определенных условиях возобновимые ресурсы могут в сравнительно короткий геологический период восстановиться качественно и количественно.

Ко второй группе относятся большинство полезных ископаемых -- нефть, уголь, газ и т. д. Исчерпаемость ресурсов связана, во-первых, с их широкомасштабным применением. Изъятие этих ресурсов из природной среды происходит очень интенсивно, запасы их неуклонно уменьшаются. Во-вторых, эти ресурсы восполняются значительно более медленными темпами, чем происходит их потребление (нефть, уголь, сланцы и др.).

Можно также выделить относительно возобновимые ресурсы. Это прежде всего почвы, частично вышедшие из сельскохозяйственного оборота в результате водной и ветровой эрозии либо радиоактивного загрязнения, старые лесные древостой, торф, используемый в качестве топлива. По истечении определенного промежутка времени (от сотен до нескольких тысяч лет) эти ресурсы можно будет снова использовать.

Размещено на Allbest.ru