Лекции - Экология
Подождите немного. Документ загружается.
Как ярусы, так и синузии характеризуются определённым видовым составом
и в совокупности влияют на развитие биоценоза.
Экологическая структура:
Экологическая структура биоценоза определяется совокупностью
биологических групп организмов, выполняющих в сообществе в каждой
экологической нише определённые функции. Эта характеристика биоценоза даёт
возможность определить его свойства, выяснить устойчивость во времени и
пространстве, а также предвидеть последствия изменений, вызванных влиянием
антропических факторов.
Пограничный эффект:
На границе соседствующих биоценозов проявляется так называемый
пограничный эффект, суть которого заключается в увеличении плотности
животного населения в приграничной зоне. Причиной этого явления служат
миграционные процессы, в результате которых животные, сталкиваясь с
неспецифичными для них факторами среды, накапливаются в узкой
приграничной полосе. Так, например, в агроценозах многие вредители
сельскохозяйственных культур концентрируются преимущественно в краевой
полосе, что необходимо учитывать при обработке растений пестицидами.
2.6.4.Энергетика экосистем.
Пищевые взаимоотношения организмов в биоценозе объединяют их в
единый комплекс и создают прочные цепи питания, состоящие из трёх основных
звеньев.
Первое звено образуют продуценты (производители) – зелёные растения,
создающие первичную биологическую продукцию, в которой аккумулируется
солнечная энергия.
Второе звено представлено консументами (потребители) – организмы,
питающиеся растениями и животными.
Третье звено – редуценты (деструкторы) – организмы, разрушающие
органические вещества останков растений и животных до простых
неорганических соединений (грибы, микроорганизмы).
Все звенья цепи питания взаимосвязаны и взаимозависимы. Между ними от
первого и до последнего происходит передача вещества и энергии, причём от
звена к звену происходит потеря последней. В природе пищевые цепи биоценозов
значительно сложнее рассмотренной выше схемы, т. к. многие организмы
являются одновременно и продуцентами и консументами по отношению к
другим.
Экологическая пирамида:
В любой цепи питания не вся пища используется для роста организма, т. е.
для накопления биомассы. Часть пищи расходуется на удовлетворение
энергетических затрат организма (дыхание, размножение, движение,
поддержание определённой температуры тела). В результате осуществления
вышеуказанных процессов биомасса одного звена не может быть передана
последующему полностью. В каждом последующем звене происходит
уменьшение биомассы. Это явление было изучено Элтоном и было названо
пирамидой чисел или пирамидой Элтона. В современной экологии выделяют
пирамиды: численности (особей); биомассы; энергии.
Основание любой из вышеуказанных пирамид образуют растения-
продуценты, над ними возвышаются консументы различных порядков, а вершину
пирамиды занимают наиболее крупные хищники.
Результаты приближённых расчётов по указанным выше пирамидам
свидетельствуют о следующем: растения используют ~ 0,24 % всей падающей на
территорию, где они произрастают, энергии солнца, из которой ~ 8 % тратится на
биомассу животных, употребляющих эти растения в пищу.
Правило пирамид универсально и объективно отражает круговорот веществ
и поток энергии в биоценозе.
Не ограниченное временем, и постоянное развитие и совершенствование
жизни на Земле обусловлено круговоротом веществ – важнейшей функцией
любого биоценоза. Биогенный круговорот веществ установился благодаря
появлению зелёных растений, осуществляющих фотосинтез. Так, например,
кислород атмосферы оборачивается через живые организмы за 2000 лет, диоксид
углерода за 300 лет, вода всей Земли – за 2·10
6
лет. Осуществляется этот
круговорот за счёт энергии Солнца. Как было отмечено выше, из всего потока
падающей на землю энергии Солнца лишь ~ 0,24 % её улавливается зелёными
растениями, обеспечивая весь биологический круговорот веществ в биосфере.
Более половины этой энергии тут же расходуется на дыхание растений, а
оставшаяся часть поступает в пищевые цепи. Энергия Солнца, утилизированная
растениями, а через них животными, лишь частично используется для жизни
последних, а остальная её часть, согласно второму закону термодинамики,
превращается в теплоту и рассеивается в пространстве. Таким образом, часть
утилизированной энергии уходит из биоценоза. Вещество растений, используемое
консументами лишь на 1,5…2 % превращается во вторичную продукцию.
Например, для получения одного килограмма говядины требуется примерно 70…
90 кг свежей травы.
Биологическая продуктивность – воспроизведение биомассы растениями,
животными и микроорганизмами, входящими в состав биогеоценоза.
Биологическая продуктивность представляет собой количество воспроизводимой
биомассы на 1 м
2
площади (1 м
3
объёма) в единицу времени и чаще всего
выражается в граммах углерода или сухого органического вещества.
2.6.4. Динамика и стабильность экосистем.
Суточная и годовая динамика экосистем обусловлена биоритмами
организмов их составляющих. В каждом естественном биоценозе имеются
группы организмов, активность жизни которых проявляется в разное время суток.
Суточная динамика биоценоза наиболее устойчива, однако при нерегулярных
природных явлениях может изменяться. Сезонная динамика изменяется в
большей степени и зависит от широты местности и связанными с ней
климатическими особенностями.
В связи с тем, что суточная и сезонная ритмика в биоценозах практически
постоянна в течение длительного времени (100 летия, 1000 летия), в них
исторически сформировались соответствующие биологические механизмы
функционирования всего сообщества.
Если же появляются силы, приводящие к резкому изменению или
разрушению сообщества, то может возникнуть другой, более приспособленный к
новым условиям биоценоз. Такая смена биоценозов называется сукцессией.
Сукцессии тесно связаны с геологическими и климатическими изменениями, а
также с эволюцией видов. В целом сукцессии приводят к прогрессу биоценозов и
сопровождаются ростом видового разнообразия, биопродуктивности и биомассы.
Последовательные сукцессии приводят биоценозы во всё более стабильное
состояние. Сукцессии агроценозов такой стабильности не обеспечивают, т. к.
видовое разнообразие их при этом не изменяется.
3. Биосфера.
3.1. Учение В. И. Вернадского о биосфере.
Основоположником современного учения о «сфере жизни» (биосфере)
является русский учёный Владимир Иванович Вернадский (1863…1945 гг.).
Вернадский создал научную дисциплину «Биогеохимия» а на её основе науку о
биосфере. Понятие биосфера впервые ввёл австрийский геолог Э. Зюсс в 70-х
годах ХIX века для обозначения «лика Земли», её поверхностного
географического образа.
Согласно Вернадскому биосфера – оболочка всех тех планет, на которых
вследствие стечения благоприятных условий возникла и существует жизнь.
Биосфера это то, что человек называет Природой и связан через неё с
планетой и космосом.
Важнейшие черты биосферы – её постоянный материально-энергетический
обмен с космосом и существование исключительно в её пределах живого
вещества. Благодаря живому веществу биосфера являет собой подвижное
динамическое равновесие – организованность. Организованность –
слаженность, гармония стихийных сил, которая во все времена поражала учёных,
очаровывала поэтов и рождала у них вдохновение. Например, Тютчев писал:
«Невозмутимый строй во всём, созвучье полное в природе». Вернадский впервые
в мире показал, что в цепи круговорота всех химических элементов на Земле
имеется биогеохимическое звено, т. е. жизнедеятельность организмов является
глубоким и мощным геологическим процессом.
Живое вещество биосферы состоит в основном из лёгких химических
элементов: H, C, N, O, Na, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca; из тяжёлых элементов самым
распространённым является железо (Fe). Эти элементы в организмах дают свои
соединения, которые вне живого вещества практически не создаются. В течение
всего геологического времени живое вещество в биосфере выполняет ряд
функций: газовую, окислительно-восстановительную, концентрационную (для
различных химических элементов), деструктивную и др.
В глобальном космическом проявлении биосфера является гигантским
аккумулятором и уникальным трансформатором электромагнитной энергии
Солнца. Благодаря биосфере Земля осуществляет связь с Космосом.
Вернадский впервые показал, что фотосинтез меняет облик Земли и,
преобразуя космическую энергию в химическую, механическую, тепловую,
электрическую и др., постоянно нарушает химическое равновесие, присущее
планете как космическому образованию.
Общее направление природных процессов в биосфере противоположно тому,
которое следует из второго начала термодинамики, а именно: энергия не
рассеивается, а накапливается в живом веществе. Иначе говоря, энтропия
окружающей среды уменьшается, а организованность ее возрастает, что
происходит постоянно в ходе геологического времени.
Биосфера – не только организованность, но и своеобразный механизм связи
живого вещества с неживым, который подчиняется строгим математическим
закономерностям, реализующимся в масштабах биоценозов и биосферы.
Жизнь на Земле создает своеобразный материально-энергетический напор на
среду, подобный напору газа; живое вещество, преодолевая её сопротивление,
стремится занять максимальный объём, распространиться на всю свободную
территорию. Это возможно благодаря процессам размножения, которые
происходят ритмично и совершаются с удивительной и неизменной
математической точностью. Скорость размножения живых организмов
определяет скорость передачи геохимической энергии в биосфере.
Между планетой Земля и её биосферой существует неразрывная связь. Так,
например, размеры, масса, геологические параметры и константы планеты
обусловливают вес, размеры, количество потомства, быстроту его
воспроизведения всех живых организмов.
Единство живого и неживого вещества диалектично, так, живое вещество не
сводится к обычным физико-химическим системам, а имеет множество
отличительных особенностей. Наиболее значительными из них являются
пространственно-временные характеристики.
Так, согласно гипотезе Вернадского, геометрический субстрат живого
вещества отвечает одному из пространств геометрии Римана. Для этого
пространства характерными особенностями являются: кривые линии и
поверхности; полярные векторы, т. е. отсутствие центра симметрии; неравенство
правизны и левизны. По выражению Вернадского: «Это пространство конечное,
замкнутое, резко отделяющееся от окружающего, само себя довлеющее». В
геометрии Евклида это пространство будет проявляться в виде шара.
С временными характеристиками связано основное свойство материальной
среды – закономерная бренность всех её проявлений. В живом веществе время
выражается, благодаря замкнутости криволинейного пространства, полярным
вектором.
Полярность времени жизни проявляется в необратимости биологических
процессов.
Векториальность, направленность времени в биосфере делают его единством
«дления-бренности». С длением связано сохранение биосферой своих качеств
относительно неизменными, а с бренностью – однонаправленность,
необратимость протекания жизненных процессов: от начала к концу, от прошлого
к будущему.
Жизненное (биологическое) время, согласно Вернадскому проявляется в трех
процессах:
– во времени индивидуального бытия;
– в смене поколений без изменения форм жизни;
– в эволюционном процессе, скачкообразно меняющем форму организмов
одновременно со сменой поколений.
С точки зрения эволюционного процесса (естественного отбора)
недолговечность индивидуальных живых существ является положительным
фактором, т. к. она обеспечивает не только длительный и непрерывный
круговорот веществ, но и значительную изменчивость морфологических форм.
Особые свойства биологического времени связаны с организованностью
живой системы, в которой ни один элемент не занимает в течение сколь угодно
продолжительного времени то же самое место, а постоянно прогрессивно
изменяется необратимо и направленно.
По мнению Вернадского зарождение жизни на Земле произошло в условиях,
которые нам до конца не известны. По его утверждению жизнь зародилась
множественно. Даже если сначала возникла одна форма, то она геологически
быстро вне эволюционного процесса раздробилась на формы, выполняющие
различные функции в биосфере. Это возможно потому, что размножение
простейших организмов происходит очень быстро (в геометрической
прогрессии). В геологически кратчайший срок произошло заселение всей
поверхности планеты, затем биосфера стала расширяться в глубь Земли. Этот
процесс происходит и сейчас.
3.2. Биосфера, как часть географической оболочки Земли.
Географическая оболочка Земли включает в себя:
– литосферу – верхний каменный твёрдый слой Земли мощностью 30…40
км на равнинах; ~ 50 км – в горах; 3…10 км – в океанах и морях. Ниже
литосферы лежат гранитный и базальтовый слои;
– атмосферу – воздушная оболочка Земли мощностью ~ 20000 км,
состоящая в свою очередь из пяти слоев (тропосфера, стратосфера, мезосфера,
термосфера, экзосфера);
– гидросферу – вода Земли в жидком и твёрдом агрегатном состояниях
(около 40 % воды заключено в литосфере). Объем гидросферы составляет ~
1,37·10
9
км
3
.
Между указанными сферами происходит взаимообмен веществом и
энергией, в результате чего формируется природная ландшафтная сфера.
Ландшафтная сфера является центральной частью географической оболочки, т. к.
в ней происходит трансформация солнечной энергии в её другие виды и создается
благоприятная среда для развития органической жизни.
Биосфера является составной частью географической оболочки, оказывая
постоянное воздействие на последнюю путем реализации указанных выше
функций (газовая, окислительно- восстановительная, концентрационная,
деструктивная).
3.3. Круговорот веществ в биосфере.
Для существования биосферы необходим постоянный круговорот
биологически важных веществ, т. е. после использования в одних организмах они
должны вновь переходить в усвояемую для других организмов форму. Этот
круговорот происходит за счет энергии Солнца, которая вместе с биологическим
обеспечивает так же геологический круговорот веществ. Последний процесс
проявляется в основном в круговороте воды и циркуляции атмосферы и
потребляет ~ 50 % всей падающей на Землю энергии Солнца.
Биологический круговорот веществ состоит из ряда биогеохимических
циклов, основными из которых являются круговороты кислорода, углерода, воды,
фосфора, серы и др. биогенных элементов.
Например, круговорот углерода происходит следующим образом. На суше
источником углерода для живых организмов является диоксид углерода,
фиксируемый растениями из воздуха при фотосинтезе. Из растений часть
углерода с пищей потребляется животными. Значительная часть углерода
кумулируется в останках отживших растений и животных. Весь содержащийся в
накопленной биомассе углерод возвращается в атмосферу также в виде диоксида
углерода при дыхании растений и животных, а также за счёт разложения
микроорганизмами отжившей биомассы (при этом её углерод окисляется до
диоксида углерода и поступает в атмосферу). Такой же круговорот углерода
совершается в океане.
В биологический круговорот в конечном итоге вовлекаются практически все
химические элементы земной коры.
3.4. Биосфера и космос.
Воздействие космических сил на земную жизнь происходит в основном
посредством солнечного электромагнитного изучения. Вторжение космических
тел в биосферу, например, метеоритов носит случайный характер.
Гравитационные влияния могут оказывать лишь Солнце и Луна.
Различают прямое (первичное) и непрямое (вторичное) действие
космических сил. Прямое действие – световое, ультрафиолетовое и
радиоволновое излучения космоса, достигающие земной поверхности. Непрямое
действие оказывают: излучение космоса, поглощаемое верхней частью
атмосферы с образованием озона; нагревание и перемещение масс воздуха;
изменение геомагнитных характеристик Земли (магнитные бури и др.).
Из всех космических воздействий наиболее важными являются источники
энергии жизненных процессов и формирования биоритмов.
Проникновение земной биосферы в космос возможно двумя путями:
– посредством выноса микроорганизмов из верхних слоев атмосферы в
околоземное космическое пространство с последующим занесением их
солнечным ветром на другие планеты;
– выход в космос человека.
3.5. Возникновение и развитие ноосферы.
В эволюции биосферы выделяют три основных этапа:
– возникновение биосферы;
– формирование многоклеточных организмов;
– превращение биосферы в сферу разума (ноосфера) с появлением
человеческого общества.
Ноосфера это новое состояние биосферы, когда разумная деятельность
человека становится главным фактором, обусловливающим её развитие.
По Вернадскому, ноосфера является высшим типом целостности,
управляемой за счёт тесной взаимосвязи законов Природы, мышления и
социально-экономических законов общественного развития. Отдельные элементы
ноосферы формируются уже сейчас и этот процесс будет усиливаться по мере
объединения общества для разрешения общечеловеческих, глобальных проблем
развития.
Ноосфера это период развития биосферы, когда человечество с помощью
науки сможет осмысленно управлять природными и социальными процессами.
4. Человек и биосфера.
4.1. Происхождение человека.
Данные палеонтологических исследований свидетельствуют в пользу
гипотезы о происхождении человека от обезьяноподобных существ африканского
континента. Этот процесс происходил в течение нескольких миллионов лет до
нашей эры, начиная с австралопитеков и до современного человека.
Человек современного вида сформировался ~ 40000 лет тому назад.
Бóльшую часть времени существования современного человека охватывает
первая из созданных им культур – культура верхнего палеолита (~ 20000 лет
назад). В то время экономической основой жизни человеческого общества была
охота на крупных животных.
Эта культура закончилась экологическим кризисом, охватившим громадные
территории, и связанным с уничтожением охотниками животных.
Для биосферы это явление необычно, т.к. нарушилась естественная
биологическая регулировка численности популяций животных. Истребление
крупных животных привело к сокращению численности населения в ряде районов
вплоть до появления скотоводства и земледелия, что произошло ~ 10000 лет
назад в эпоху неолита.
Таким образом, период в течение которого человек производил
потребляемую им пищу, составляет ~ 25 % общей продолжительности его
существования. Еще гораздо короче время развития технической цивилизации
(доли % от истории человечества), и время существования научно-технической
революции (НТР), не превосходящее сотых долей %.
Происхождение и развитие человека связано с действием особых
экологических факторов, которые привели к качественному отличию его от всех
животных. На эволюцию человека огромное влияние оказывало изменение
климата. Так, например, одной из причин быстрого развития центральной
нервной системы (ЦНС), возможно явилось критическое положение, в котором
оказались предки человека в тропиках, когда в плиоцене и плейстоцене
наступило похолодание. При этом начали исчезать леса, а с ними и пища,
возрастала беззащитность от неблагоприятных условий среды и врагов. Бóльшее
выживание могли обеспечить сравнительно развитый головной мозг и
способность к прямохождению, освободившая две конечности (руки), что имело
место у преавстралопитеков.
Повышение умственных способностей расширяло использование различных
предметов в качестве оружия и орудий труда, а также способствовало
коллективным действиям при самозащите и нападении. Коллективизм
стимулировал развитие социальных элементов, а с ними нравственных понятий,
определяющих поведение индивидуума в коллективе.
Наступление и отступление ледников в период всей истории определяло
колебания климата на огромных территориях. Это ставило новые задачи перед
человечеством и ускоряло его эволюцию. Последний большой этап в развитии
человечества был пройден во время вюрмского оледенения (~ 40000 лет назад),
когда сформировался современный человек.
На развитие умственных способностей человека влияли также
несовершенство орудий охоты и труда, а также опасности, возникающие при
нападении на крупных животных. Иначе - чем примитивнее орудие, тем в
большей степени их недостатки восполнялись умственными способностями,
которые закреплялись путем естественного отбора в развитии головного мозга.
Исходя из этой концепции, можно предположить, что эволюция человека
ускорялась в районах, где охота на крупных животных была главным источником
его питания. Это имело место в безлесных областях, примыкавших к ледяным
покровам в ледниковые эпохи, т.е. в умеренных широтах.
Возникновение современного человека могло произойти в экологических
условиях, предъявлявших очень высокие требования к его умственной
деятельности как для успешной борьбы с крупными опасными животными, так и
для победы в конкуренции с родственными приматами.
Прогресс материальной культуры человека происходил быстрее в тех
районах Земли где природные условия не обеспечивали его растительной пищей
и требовали продолжения охоты на крупных животных. Если человек оказывался
в зоне с легкодоступными съедобными растениями и животными, то развитие
культуры замедлялось и, возможно, утрачивались ранее достигнутые уровни
развития.
Рассмотренные процессы происходили неравномерно во времени и
пространстве; при этом, если условия среды создавали большую нагрузку для
человеческого общества, имел место высокий уровень использования
потенциальных умственных способностей человека. При благоприятных
условиях внешней среды этот уровень значительно снижался.
4.2. Влияние человека на биосферу.
Хозяйственная деятельность человека неоднократно приводила к
ухудшению природных условий, порождала локальные экологические кризисы.
Человек, овладев огнем, применял его для уничтожения растительности, как в
земледельческих, так и в охотничьих целях. При этом хищнически уничтожались
флора и фауна на значительных территориях, что приводило к образованию
пустынь. В совокупности рассмотренные процессы приводили к исчезновению
древних цивилизаций, например, в Индии (3..2 тысячелетия до н.э.), Майя в
Центральной Америке и др.
История свидетельствует, что научно-технический прогресс (НТП)
увеличивает возможности воздействия на окружающую среду, создавая
предпосылки для возникновения крупных экологических кризисов. С другой
стороны, этот же прогресс расширяет возможности предупреждения таких
кризисов.
Наиболее отчетливо эти противоположные тенденции проявились во второй
половине XX века. Так, например, растительный покров большей части
поверхности континентов носит вторичный характер, т.е. заменён нужными
человеку растениями. Это обстоятельство привело к нарушению процесса
почвообразования, изменению физико-химических свойств почв и их эрозии. В
возрастающих масштабах человеком загрязняются атмосфера и воды континентов
и океанов.
Понимая экологический кризис как непоправимое за короткий срок
ухудшение природной среды, нельзя говорить о глобальном кризисе в настоящее
время. Сейчас существует множество локальных кризисов, которые не всегда
разрешимы и, накапливаясь, могут принять глобальные масштабы.
Экологический ущерб биосфере не всегда может быть возмещён, например,
уничтожение генофонда современных организмов.
Демографические процессы, сопровождающиеся ростом народонаселения,
способствуют ускорению проявления как локальных, так и глобальных
экологических кризисов, т. к. соответственно увеличиваются масштабы
промышленного и сельскохозяйственного производств, исчерпание минеральных
ресурсов и количество отходов.
Особо следует отметить влияние человека на климат городов, регионов и
планеты в целом за счет загрязнения атмосферы. Атмосфера Земли как компонент
биосферы является трансформатором локальных воздействий человека на
окружающую среду в глобальные изменения природных условий. Так,
современные города, благодаря растущей урбанизации, можно рассматривать как
„острова тепла“ и источники выделения газов, паров и аэрозолей. Это
обстоятельство вызывает образование туманов, приводящих к смогам,
сопровождающимися увеличением концентрации в атмосфере опасных для
биосферы веществ.
Постоянный рост количества сжигаемого в энергетических целях топлива
органического происхождения способствует повышению температуры у
поверхности Земли, что обусловливает изменение климата как в региональном,
так и в планетарном масштабах. При этом нарушается естественный ход
эволюции биогеоценозов и биосферы в целом.
Климатические изменения, обусловленные хозяйственной деятельностью
человека проявляются уже сейчас (повышение средней температуры у
поверхности Земли на ~ 0,5
о
C, перестройка установившейся ранее атмосферной
циркуляции воздушных масс и др.), а в недалёком будущем (XXI век и далее) эти
изменения усилятся.
Особое негативное влияние деятельность человека оказывает на
«биологический щит» планеты – озоновый компонент атмосферы. Развитие
промышленности, сратосферной авиации, космонавтики и др. факторы
способствуют снижению концентрации озона в стратосфере и, как следствие,
интенсификации жёсткого ультрафиолетового облучения земной поверхности,
что губительно для живых организмов, обитающих в наземно-воздушной среде.
Кроме вышеуказанных воздействий на биосферу, человек способствует её
радиоактивному загрязнению. Происходит это за счёт извлечения из недр Земли и
последующего концентрирования на её поверхности долгоживущих
радиоактивных изотопов. Чаще всего это
238
U (период полураспада ~ 4,47∙10
9
лет)
и
235
U (период полураспада ~ 0,7∙10
9
лет). При ядерных превращениях (распаде)
этих изотопов образуются другие химические элементы и их изотопы, например,
226
Ra,
222
Rn и др., которые, в свою очередь, чаще всего являются радиоактивными.
При распаде радиоактивных веществ генерируются корпускулярные ( α, β ) и
электромагнитные ( γ, рентгеновское) ионизирующие излучения, действие
которых на организмы биосферы негативно. Так, у человека возможно
образование злокачественных опухолей (рак), нарушение функций зрения
(катаракта), разрушение эритроцитов (белокровие), инактивация гонад, мутации