Факториальная экология
Подождите немного. Документ загружается.
СОДЕРЖАНИЕ
Факториальная экология. Взаимоотношения организма и среды
Изучение экосистем. Стабильность (гомеостаз) экосистем
Геохимическая работа живого существа
Биогеохимические круговороты основных биогенных элементов и их нарушение
человеком
Парниковый эффект
Экологические проблемы Тульской области
Способы и технологии минимизации антропогенного воздействия на окружающую
среду: развитие экологически чистого производства
Экологические фонды
Международное сотрудничество в области окружающей среды
Список литературы
1
Факториальная экология. Взаимоотношения организма и среды
Окружающая среда служит источником необходимых веществ для процессов обмена в
организме. Комплекс факторов естественной среды обитания воздействует на живой
организм. Поэтому любой организм адаптируется к факторам среды. Важнейшие
экологические факторы, действующие на жизнедеятельность организмов, следующие.
Температура. Влияет на скорость обменных процессов. Существуют верхний и нижний
температурный пороги жизни. Эти пороги неодинаковы для разных видов живых
организмов. Ряд видов бактерий обитают в горячих источниках с температурой воды 70
"С, растения степей, саванн и пустынь выдерживают нагревание до 50-60 "С, растения
влажных тропических лесов, водоросли теплых морей погибают при температуре чуть
выше 0
о
С, морозоустойчивые формы растений выдерживают полное зимнее
промерзание.
Вода и минеральные соли. Вода составляет основную массу организмов растений и
животных (50-80%, у ряда видов до 95%). Водный обмен организма со средой
складывается из двух процессов:
1) поступления воды в организм - в виде питья из источников, в виде росы, тумана,
дождя, с пищей;
2) отдачи ее во внешнюю среду - с мочой, экскрементами, путем испарения.
Осадки определяют режим водоемов, почвенной влаги и влажности воздуха.
Необходимое условие нормальных функций организма - определенный набор солей,
входящих в ткани и играющих важную роль в обменных механизмах клеток. Многие
растения (суккуленты и склерофиты) приспособились к жизни в условиях постоянного
и регулярного дефицита влаги, на засоленных почвах (растения-галофиты). Пустынные
животные адаптируются к водному голоданию. Изменение содержания солей в пище
вызывает у млекопитающих-фитофагов также ряд адаптивных реакций.
Кислород. Кислород необходим абсолютному большинству живых организмов, в том
числе высшим растениям и животным, для получения энергии в результате аэробного
окисления органических веществ. У растений дыхание осуществляется всеми органами
и тканями. Организмы, обитающие в водной среде, используют специальные органы
дыхания (жабры) либо извлекают его всей поверхностью тела. В транспорте кислорода
принимают участие дыхательные пигменты (гемоглобин) крови. У обитателей
воздушной среды увеличена дыхательная поверхность и активизирована вентиляция
легких. У видов, обитающих в высокогорных районах, повышено содержание
гемоглобина и эритроцитов. У ныряющих животных запасы кислорода накапливаются в
крови и мышцах.
Свет. Большинству видов растений и животных свойственны суточная периодичность
проявления активности, сезонный характер репродукции.
Изучение экосистем. Стабильность (гомеостаз) экосистем
2
Экосистема - это совокупность продуцентов, консументов и детритофагов,
взаимодействующих друг с другом и с окружающей их средой посредством обмена
веществом, энергией и информацией таким образом, что эта единая система сохраняет
устойчивость. Таким образом, для естественной экосистемы характерны три признака:
1) экосистема обязательно представляет собой совокупность живых и неживых
компонентов;
2) в рамках экосистемы осуществляется полный цикл, начиная с создания
органического вещества и заканчивая его разложением на неорганические
составляющие;
3) экосистема сохраняет устойчивость в течение некоторого времени, что
обеспечивается определенной структурой биотических и абиотических компонентов.
Примерами природных экосистем являются озеро, лес, пустыня и т. д. Более простые
экосистемы входят в более сложно организованные. При этом реализуется иерархия
организации систем.
Важным следствием иерархической организации экосистем является то, что по мере
объединения компонентов в более крупные блоки, которые, в свою очередь,
объединяются в системы, у этих новых функциональных единиц возникают новые
свойства. Наличие у системного целого особых свойств, не присущих его подсистемам
и блокам, а также сумме элементов, не объединенных системо-образующими связями,
называют эмерджентностью.
Основу экосистем составляют живое вещество, характеризующееся биотической
структурой, и среда обитания, обусловленная совокупностью экологических факторов.
Несмотря на многообразие экосистем, все они обладают структурным сходством. В
каждой из них можно выделить фотосинтезирующие растения - продуценты, различные
уровни консументов, детритофагов и редуцентов.
Они и составляют биотическую структуру экосистем. Неживая и живая природа,
окружающая растения, животных и человека, носит название среды обитания.
Множество отдельных компонентов среды, влияющих на организмы, называется
экологическими факторами. По природе происхождения выделяют абиотические,
биотические и антропогенные факторы.
Абиотические факторы - это свойства неживой природы, которые прямо или косвенно
влияют на живые организмы.
Биотические факторы - это все формы воздействия живых организмов друг на друга.
Раньше к биотическим факторам относили и воздействие человека на живые
организмы, однако в настоящее время выделяют особую категорию факторов,
порождаемых человеком.
Антропогенные факторы — это все формы деятельности человеческого общества,
которые приводят к изменению природы как среды обитания и др.
3
Энергия в экологических системах. Жизнь как термодинамический процесс. Пищевые
цепи, пищевые сети и трофические уровни
Организмы в экосистеме связаны общностью энергии и питательных веществ. Всю
экосистему можно уподобить единому механизму, потребляющему энергию и
питательные вещества для совершения работы. Питательные вещества первоначально
происходят из абиотического компонента системы, в который, в конце концов, и
возвращаются либо в качестве отходов жизнедеятельности, либо после гибели и
разрушения организмов. Таким образом, в экосистеме происходит круговорот
4
питательных веществ, в котором участвуют и живой и неживой компоненты. Такие
круговороты называются биогеохимическими циклами.
Движущей силой этих круговоротов служит, в конечном счете, энергия Солнца.
Фотосинтезирующие организмы непосредственно используют энергию солнечного
света и затем передают ее другим представителям биотического компонента. В итоге
создается поток энергии и питательных веществ через экосистему. Необходимо еще
отметить, что климатические факторы абиотического, компонента, такие, как
температура, движение атмосферы, испарение и осадки, тоже регулируются
поступлением солнечной энергии.
Энергия может существовать в виде различных взаимопревращаемых форм, таких, как
механическая, химическая, тепловая и электрическая энергия. Переход одной формы в
другую называется преобразованием энергии.
Таким образом, все живые организмы – это преобразователи энергии, и каждый раз,
когда происходит превращение энергии, часть ее теряется в виде тепла. В конце концов,
вся энергия, поступающая в биотический компонент экосистемы, рассеивается в виде
тепла.
Фактически живые организмы не используют тепло, как источник энергии для
совершения работы – они используют свет и химическую энергию.
Первоисточником энергии для экосистем служит Солнце. Солнце – это звезда,
излучающая в космос огромное количество энергии. Энергия распространяется в
космическом пространстве в виде электромагнитных волн, и небольшая часть ее,
примерно 10,5 * 106 кДж/м2 в год, захватывается Землей. Около 40 % этого количества
сразу отражается от облаков, атмосферной пыли и поверхности Земли без какого бы то
ни было теплового эффекта. Еще 15 % поглощаются атмосферой (в частности,
озоновым слоем в ее верхних частях) и превращаются в тепловую энергию или
расходуются на испарение воды. Оставшиеся 45 % поглощаются растениями и земной
поверхностью. В среднем это составляет 5 * 106 кДж/м2 в год, хотя реальное
количество энергии для данной местности зависит от географической широты. Большая
часть энергии повторно излучается земной поверхностью и нагревает атмосферу
приблизительно две трети энергии поступает в атмосферу этим путем. И только
небольшая часть пришедшей от Солнца энергии усваивается биотическим компонентом
экосистемы.
Внутри экосистемы содержащие энергию органические вещества создаются
автотрофными организмами и служат пищей (источником вещества и энергии) для
гетеротрофов. Типичный пример животное поедает растения. Это животное в свою
очередь может быть съедено другим животным, и таким путем может происходить
перенос энергии через ряд организмов – каждый последующий питается предыдущим,
поставляющим, поставляющим ему сырье и энергию. Такая последовательность
называется пищевой цепью, а каждое ее звено – трофическим уровнем. Первый
трофический уровень занимают автотрофы, или так называемые первичные
продуценты. Организмы второго трофического уровня называются первичными
консументами, третьего – вторичными консументами и т. д. Обычно бывает четыре или
пять трофических уровней и редко больше шести.
5
Первичными продуцентами являются автотрофные организмы, в основном зеленые
растения. Некоторые прокариоты, а именно сине- зеленые водоросли и
немногочисленные виды бактерий, тоже фотосинтезируют, но их вклад относительно
невелик. Фотосинтетики превращают солнечную энергию (энергию света) в
химическую энергию, заключенную в органических молекулах, из которых построены
ткани.
Небольшой вклад в продукцию органического вещества вносят и хемосинтезирующие
бактерии, извлекающие энергию из неорганических соединений.
В водных экосистемах главными продуцентами являются водоросли – часто мелкие
одноклеточные организмы, составляющие фитопланктон поверхностных слоев океанов
и озер. На суше большую часть первичной продукции поставляют более
высокоорганизованные формы, относящиеся к голосеменным и покрытосеменным. Они
формируют леса и луга.
Первичные консументы питаются первичными продуцентами, т. е. это травоядные
животные. На суше типичными травоядными являются многие насекомые, рептилии,
птицы и млекопитающие. Наиболее важные группы травоядных млекопитающих – это
грызуны и копытные. К последним относятся пастбищные животные, такие, как
лошади, овцы, крупный рогатый скот, приспособленные к бегу на кончиках пальцев.
В водных экосистемах (пресноводных и морских) травоядные формы представлены
обычно моллюсками и мелкими ракообразными. Большинство этих организмов –
ветвистоусые и веслоногие раки, личинки крабов, усоногие раки и двустворчатые
моллюски (например, мидии и устрицы) – питаются, отфильтровывая мельчайших
первичных продуцентов из воды.
Вместе с простейшими многие из них составляют основную часть зоопланктона,
питающегося фитопланктоном. Жизнь в океанах и озерах практически полностью
зависит от планктона, так как с него начинаются почти все пищевые цепи.
К первичным консументам относятся также паразиты растений (грибы, растения и
животные).
Вторичные консументы питаются травоядными; таким образом, это уже плотоядные
животные, так же как и третичные консументы, поедающие консументов второго
порядка. Консументы второго и третьего порядка могут быть хищниками и охотиться,
схватывать и убивать свою жертву, могут питаться падалью или быть паразитами. В
последнем случае они по величине меньше своих хозяев. Пищевые цепи паразитов
необычны по ряду параметров.
В типичных пищевых цепях хищников плотоядные животные оказываются крупнее на
каждом следующем трофическом уровне:
В типичных пищевых цепях, включающих паразитов, последние становятся меньше по
размерам на каждом следующем уровне.
Существуют два главных типа пищевых цепей – пастбищные и детритные.
Выше были приведены примеры пастбищных цепей, в которых первый трофический
уровень занимают зеленые растения, второй – пастбищные животные и третий –
хищники. Тела погибших растений и животных еще содержат энергию и «строительный
материал», так же как и прижизненные выделения, например, моча и фекалии. Эти
органические материалы разлагаются микроорганизмами, а именно грибами и
6
бактериями, живущими как сапрофиты на органических остатках. Такие организмы
называются редуцентами. Они выделяют пищеварительные ферменты на мертвые тела
или отходы жизнедеятельности и поглощают продукты их переваривания. Скорость
разложения может быть различной.
Органические вещества мочи, фекалий и трупов животных потребляются за несколько
недель, тогда как упавшие деревья и ветви могут разлагаться многие годы. Очень
существенную роль в разложении древесины (и других растительных остатков) играют
грибы, которые выделяют фермент целлюлазу, размягчающий древесину, и это дает
возможность мелким животным проникать внутрь и поглощать размягченный материал.
Кусочки частично разложившегося материала называют детритом, и многие мелкие
животные (детритофаги) питаются им, ускоряя процесс разложения. Поскольку в этом
процессе участвуют как истинные редуценты (грибы и бактерии), так и детритофаги
(животные), и тех и других иногда называют редуцентами, хотя в действительности
этот термин относится только к сапрофитным организмам.
К детритофагам лесных и прибрежных сообществ относятся дождевой червь, мокрица,
личинка падальной мухи (лес), полихета, багрянка, голотурия (прибрежная зона).
Некоторые типичные детритофаги - это дождевые черви, мокрицы, двупарноногие и
более мелкие.
Геохимическая работа живого существа
Основная планетарная функция живого вещества заключается в создании
органического вещества в ходе фотосинтеза, т.е. в связывании и запасании (порой на
очень длительное время) солнечной энергии, которая затем идет на поддержание
множества других геохимических процессов в биосфере. За время существования
жизни на Земле живое вещество превратило в потенциальную энергию органических
соединений огромное количество солнечной энергии; значительная часть ее в ходе
геологической истории накопилась в связанном виде. Для современной биосферы
характерны залежи угля и других органических веществ, образовавшихся в палеозое,
мезозое и кайнозое.
В биосфере в результате жизнедеятельности организмов в больших масштабах
осуществляются такие химические процессы, как окисление и восстановление
элементов с переменной валентностью (азот, сера, железо, марганец и др.).
Микроорганизмы-восстановители гетеротрофны, используют в качестве источника
энергии органические вещества. К ним относятся денитрифицирующие и
сульфатредуцирующие бактерии, восстанавливающие из окисленных форм азот до
элементарного состояния и серу до сероводорода. Микроорганизмы-окислители могут
быть как автотрофами, так и гетеротрофами. Это бактерии, окисляющие сероводород и
серу, нитри- и нитрофицирующие микроорганизмы, железные и марганцевые бактерии,
концентрирующие эти металлы в своих клетках.
7
Геологические результаты деятельности этих организмов проявляются в образовании
осадочных месторождений серы, образовании в анаэробных условиях залежей
сульфидов металлов, а в аэробных - окисление их и перевод в растворимое состояние,
возникновение железных и железомарганцевых руд.
За счет жизнедеятельности огромного числа гетеротрофов, в основном грибов,
животных и микроорганизмов, происходит гигантская в масштабах всей Земли, работа
по разложению органических остатков. При деструкции органической массы протекают
два параллельных процесса. Разложение органических соединений в конечном счете до
углекислого газа, аммиака и воды, а в анаэробных условиях еще и до водорода и
углеводородов представляет процесс минерализации. Продукты минерализации вновь
используются автотрофами. Кроме того, в почве часть освобождающихся веществ
ароматической природы под влиянием жизнедеятельности микроорганизмов вновь
конденсируется с образованием сложного комплекса соединений - почвенного гумуса
(различные гумусовые кислоты и их соли) со значительным запасом энергии. Этот
процесс стимулируется деятельностью многих почвенных групп гетеротрофов. Гумус
является основой почвенного плодородия. Его разложение протекает в дальнейшем
очень медленно, под влиянием определенной, автохтонной микрофлоры почв, чем
достигается постоянство в обеспечении растений элементами минерального питания.
Природные воды, обогащенные этими продуктами минерализации, становятся
химически высокоактивными и выветривают горные породы.
Процесс разложения органических веществ, при котором освобождается химическая
энергия, характерен для всех частей биосферы, где есть живые организмы, тогда как
фотосинтез протекает только на поверхности суши и в верхнем слое водоемов. Часть
органического вещества, попадающего в условия, неблагоприятные для деятельности
деструкторов, захоранивается и консервируется в составе осадочных пород, поэтому
синтез органических веществ в масштабе всей биосферы не полностью
уравновешивается их разложением.
Эта некоторая несбалансированность процессов синтеза и разложения органических
веществ в биосфере определила кислородный режим современной воздушной оболочки
Земли.
Кислород атмосферы накоплен за счет фотосинтеза. Единственный источник
абиогенного поступления свободного кислорода - фотодиссоциация молекул воды в
верхних слоях атмосферы - очень незначителен. Количество молекул О2, выделяемых
зелеными растениями, пропорционально количеству связываемых молекул СО
2
.
Выделенный кислород вновь используется на окисление углерода при минерализации
органического вещества и дыхании организмов, но так как часть органических веществ
захоранивается в осадочных породах, то эквивалентное количество О
2
остается в
атмосфере. Значительная часть его идет на окисление минеральных веществ. С
увеличением концентрации свободного кислорода в воздухе расход его на окисление
минералов возрастает, с уменьшением - снижается.
8
Биогеохимические круговороты основных биогенных элементов и их нарушение
человеком
Круговороты воды и СО
2
в глобальном масштабе представляют собой, вероятно, самые
важные для человечества биогеохимические круговороты. Для обоих характерны
небольшие, но весьма подвижные фонды в атмосфере, высокочувствительные с
нарушениям, которые вызываются деятельностью человека и которые могут влиять на
погоду и климат.
Несмотря на то, что вода участвует в химических реакциях, из которых слагается и
фотосинтез, большая часть потока воды, проходящего через экосистему, связана с
испарением, транспирацией (испарение растениями) и выпадением осадков.
Круговорот воды, или гидрологический цикл, как и любой другой круговорот,
приводится в движение энергией. Поглощение световой энергии жидкой водой
представляет собой главную точку, в которой источник энергии сопряжен с
круговоротом воды. По оценкам, около трети всей поступающей на Землю солнечной
энергии затрачивается на приведение в движение круговорота воды.
Более 90 % имеющейся на земном шаре воды связано в горных породах, образующих
земную кору, и в отложениях (льда и снега) на поверхности Земли. Эта вода вступает в
происходящий в экосистеме гидрологический цикл очень редко: лишь при
вулканических выбросах водяных паров. Таким образом, большие запасы воды,
имеющиеся в земной коре, вносят весьма незначительный вклад в передвижение воды
вблизи поверхности Земли, составляя основу резервного фонда этого круговорота.
Фонд воды в атмосфере невелик (составляет около 3%). Вода, содержащаяся в воздухе в
виде пара в любой данный момент, соответствует в среднем слою толщиной 2,5 см,
равномерно распределенному по поверхности Земли. Количество осадков, выпадающих
за год, составляет в среднем 65 см, что в 25 раз больше того количества влаги, которое
9
содержится в атмосфере в любой данный момент. Следовательно, водяные пары,
постоянно содержащиеся в атмосфере, так называемый атмосферный фонд, ежегодно
совершают круговорот 25 раз. Соответственно время переноса воды в атмосфере равно
в среднем двум неделям.
Содержание воды в почве, реках, озерах и океанах в сотни тысяч раз больше, чем в
атмосфере. Однако она протекает через оба эти фонда с одинаковой скоростью,
поскольку испарение сбалансировано с выпадением осадков. Среднее время переноса
воды в ее жидкой фазе по поверхности Земли, равное 3650 годам, в 105 раз больше, чем
время ее переноса в атмосфере.
Особое внимание следует обратить на следующие аспекты круговорота воды:
1. Море теряет из-за испарения больше воды, чем получает с осадками; на суше
ситуация противоположная. Т.о. значительная часть осадков, поддерживающих
экосистемы суши, в том числе большинство агроэкосистем, состоит из воды,
испаренной из моря.
2. Важная, если не главная роль транспирации растений в общей эвапотранспирации
(испарении) с суши. Влияние, оказываемое растительностью на движение воды,
выявляется лучше всего при удалении растительности. Так экспериментальная вырубка
всех деревьев в бассейнах небольших рек увеличивает сток воды в реки, дренирующие
расчищенные участки, более чем на 200%. В нормальных условиях этот излишек в виде
водяного пара траспирировался бы непосредственно в атмосферу.
3. Хотя поверхностный сток пополняет резервуары грунтовых вод и сам пополняется от
них, эти величины имеют обратную зависимость. В результате деятельности человека
(покрытия земной поверхности непроницаемыми для воды материалами, создания
водохранилищ на реках, строительства оросительных систем, уплотнения пахотных
земель, сведения лесов и т.д.) сток увеличивается и пополнение столь важного фонда
грунтовых вод сокращается. Во многих засушливых районах резервуары грунтовых вод
сейчас быстрее выкачиваются человеком, чем пополняются природой.
В биологическом круговороте углерода участвуют только органические соединения и
диоксид углерода; фотосинтез и дыхание полностью комплементарны. Весь
ассимилированный в процессе фотосинтеза углерод включается в углеводы, а в
процессе дыхания углерод, содержащийся в органических соединениях, превращается в
диоксид углерода.
Обширные фонды углерода неорганического происхождения - атмосферный диоксид
углерода, растворенный диоксид углерода (главным образом в форме HCO
3
), угольная
кислота и карбонатные отложения - участвуют в круговороте углерода в различной
степени . Обмен между углеродом, содержащимся в изверженных породах, отложениях
карбоната кальция, каменном угле и нефти, и другими более активными его фондами
происходит настолько медленно, что влияние этого углерода на краткосрочное
функционирование экосистем незначительно.
В круговороте СО
2
атмосферный фонд очень невелик, в сравнении с запасами углерода
в океанах, в ископаемом топливе и других резервуарах земной коры. Полагают, что до
наступления индустриальной эры потоки углерода между атмосферой, материками и
океанами были сбалансированы.
10