Химический состав атмосферы Земли

Лекционный курс «Экология»

Для студентов ГФ бакалавр

ЛЕКЦИЯ 1

Введение в экологию

Экология – развивающаяся наука, которая занимает все возрастающие позиции во всех областях деятельности человека. Экология стала не только познавательной наукой, но и наукой имеющей прикладное и практическое значение. Общей целью экологии является поиск и утверждение путей обеспечения все возрастающих потребностей людей в качественных условиях жизни, в достижении санитарно-гигиенической надежности технологических процессов природопользования и сохранения окружающей среды пригодной для жизни настоящих и будущих поколений.

Экология, общие понятия. Экология (от греческого o i k o s - дом, жилище, место пребывания и l o g u s - понятие, учение) – наука о взаимодействии организмов между собой и с окружающей средой. Это основное определение имеет ряд дополнений, характеризующих влияние научных направлений получивших свое развитие, как на начальном этапе формирования экологии (19 век), так и в последующие годы.

Выдающийся немецкий биолог Эрнест Геккель (1834 - 1919), автор термина «экология», дает такое определение: «Под экологией мы понимаем сумму знаний, относящихся к экономике природы; изучение всех взаимоотношений животного с органическими и неорганическими компонентами среды, включая непременно его дружественные или враждебные отношения с животными и растениями, с которыми оно вступает в контакт. Одним словом, экология - это наука, изучающая все сложные взаимосвязи и взаимоотношения в природе, рассматриваемые Дарвином как условия борьбы за существование».

Ботаник Ф. Клементс (1920) обозначает экологию как науку о растительных сообществах, а зоолог Ч. Элтон (1937) как науку о экономике животных. В дальнейшем экология развивалась как составная часть биологии, что нашло в тот период отражение в определении экологии. И. А. Шилов (1927) определяет ее как науку «... о закономерностях формирования, развития и устойчивого функционирования биологических систем разного ранга в их взаимоотношениях с условиями среды ». Огромную роль в развитии экологии как науки оказали влияние отечественные ученые: М. В. Ломоносов (1711 - 1765), В. В. Докучаев (1846 - 1903), В. И. Вернадский (1853 - 1945), Н. И. Вавилов (1887 - 1943). Особая роль в формировании новых подходов к изучению окружающей среды принадлежит В. А. Вернадскому, который выдвинул новую концепцию о биосфере и роли живого вещества в космическом земном круговороте веществ. На дальнейшее развитие экологии оказали влияние труды В. Н. Сукачева (1880 - 1967) в области биогеоценологии (взаимодействие живых организмов с окружающей их средой), Н. В. Тимофеева - Ресовского (1900 - 1981) (взаимодействие с биосферой), Н. В. Реймерса (1931 - 1993) (теоретические основы современной экологии и угроза экологического кризиса).

Вобрав в себя проблемы взаимоотношений Человека и Природы, экология как наука не только использует достижения биологии, но и других смежных с ней научных дисциплин в области физики, математики, геологии, географии, медицины и др., а также за пределами естественных наук - в области экономики, истории, политики, социологии, культурологии, образования, этики, права.

На современном уровне развития экологии как науки, ее определение может быть представлено в следующей редакции: экология - это комплексная наука, изучающая условия и процессы функционирования живых организмов в системе взаимодействия живой и неживой природы.

Структура экологии. В базовой структуре экология может быть представлена семью разделами: общей экологией, биоэкологией, экологией природопользования, геоэкологией, прикладной экологией, экологией человека, социальной экологией.

Общая экология – фундаментальная часть экологии как науки, в которой рассматриваются теоретические основы взаимоотношения организмов и среды, включая взаимоотношения человека и природы. На основе комплексирования научных знаний в биологии, математики, физики, химии, экономики, социологии и др. наук общая экология выявляет законы, правила и принципы функционирования экологических, природно-хозяйственных, эколого-экономических и социально-экологических систем.

Биоэкология – основа биологической составляющей большой экологии, рассматривающей в совокупности живые организмы в различных условиях среды. Биоэкология разделяется по систематическим категориям организмов на ряд соподчиненных экологий, среди них: экология систематических групп (прокариот или микроорганизмов, растений, животных); эндоэкология (молекулярная экология, экология клеток и тканей, физиологическая экология); экзоэкология (аутоэкология, демэкология, популяционная экология, экология вида, синэкология или экология сообществ, биоценология, биогеоценология, глобальная экология или учение о биосфере); эволюционная экология; палеоэкология; археэкология. Биоэкология – основной источник формирования научных представлений об экологии как об экономике природы.

Геоэкология – составная часть большой экологии, исследующая экосистемы, геосистемы высоких иерархических уровней от ландшафтов до биосферы включительно, изучающая региональные и глобальные изменения компонентов природной среды под влиянием техногенных воздействий, а также составные части почв, поверхностных и подземных вод, атмосферы, горных пород и энергетических уровней природного и техногенного происхождения. В настоящее время геоэкология развивается по трем направлениям. Первое - изучение ландшафтов путем анализа соотношений экологического состояния растительности и среды, в основном, методами дистанционного зондирования. Второе - изучение структуры и функционирования природных компонентов на местном топологическом уровне с применением фотограмметрии, дешифрирования и других методов обработки материалов аэрокосмической съемки. Третье - изучение взаимодействия составных частей природного комплекса и воздействия общества на природную составляющую ландшафтов с применением методов экологического контроля (мониторинга).

Прикладная экология – раздел большой экологии изучающая процессы и механизмы разрушения биосферы в результате хозяйственной деятельности человека и разрабатывающая средства и способы предотвращения деградационных процессов и сохранения и среды жизни. В этом направлении она формирует научные подходы к определению норм использования природных ресурсов и среды жизни, допустимых нагрузок на них, методов управления экосистемами различного иерархического уровня и способов «экологизации» хозяйства. Составной частью прикладной экологии являются: инженерная экология, сельскохозяйственная экология, экология города, экология промысла и особо охраняемых территорий.

Экология природопользования – раздел большой экологии, рассматривающей характер и последствия освоения и использования природных ресурсов человеком в отраслях экономики: сельском хозяйстве, лесном хозяйстве, рыбном хозяйстве, охотничьем хозяйстве, промышленности (горнодобывающей, обрабатывающей, энергетической и др.). Экология природопользования как научная дисциплина базируется на системе законов, правил и принципов экологии природопользования, позволяющих определять оптимальные условия рационального и безопасного использования и воспроизводства природных ресурсов, установления научно обоснованных норм и квот использования природных ресурсов.

Экология человека (син. Антропоэкология) – часть большой экологии, изучающая закономерности взаимодействия человеческих общностей с окружающими их природными, социальными, производственными, эколого-гигиеническими факторами. Она исследует общие законы взаимоотношения биосферы и антропоэкосистемы общества, его групп (популяций) и индивидуумов, влияние природной и социальной среды на человека и группы людей. Экология человека, в качестве ее составных частей включает: экологию народонаселения, экологию личности, экологию поселений, медицинскую экологию, историческую экологию.

Социальная экология – развивающаяся часть большой экологии, предметом изучения которой являются определенные связи между человеческим обществом и природной средой, обуславливающие отношения в системе «общество - природа», позволяющие разрабатывать научные основы рационального природопользования, охраны природы и оптимизации среды жизни. Социальная экология включает: экологию социальных групп, экологию человеческих популяций, экологию человечества, экологию демографии, экологию культуры.

Законы, принципы и правила экологии. Теоретическое осмысление всего комплекса процессов в сложной системе земной жизни может быть достигнуто через ознакомление с основными законами, правилами и принципами экологии. В настоящее время их установлено значительное количество. Н. Ф. Реймерс в своем словаре-справочнике (1990 г.) сформулировал 60 обобщений на уровне закона, 28 - на уровне принципов и 23 - на уровне правил. Общее их число в справочнике достигло 111.

Каждый экологический закон, правило и принцип отражает и описывает определенные повторяющиеся связи между явлениями и организмами в окружающей среде – биосфере и характером взаимосвязей природы и общества в определенной области их отношений. В качестве примера можно привести четыре закона экологии Б. Коммонера, содержание которых имеет характер множественного обобщения. Законы Б. Коммонера иногда называют законы – формулы.

Первый закон Б. Коммонера. «Все связано со всем». Это означает, что воздействия на любую часть сложной системы, например, биосферы, неизбежно влекут за собой изменения в другой ее части и приводит к нейтрализации возмущения от воздействия в биосфере или при превышении допустимого возмущения к еще большей деформации всей системы биосферы.

Второй закон Б. Коммонера. «Все должно куда-то деваться». Это экологическая интерпретация закона сохранения вещества и энергии.

Третий закон Б. Коммонера. «Природа знает лучше». Это означает, что поток информации от всех организмов биосферы составляет 10³⁶ бит в секунду, а возможности по переработке информации компьютеров перспективных поколений составляет не более 10²⁰ бит в секунду.

Четвертый закон Б. Коммонера. «Ничто не дается даром». Это означает, что «… глобальная экосистема представляет собой единое целое, в рамках которого ничего не может быть выиграно или потеряно и которое не может являться объектом всеобщего улучшения; все, что было извлечено из нее человеческим трудом, должно быть возмещено. Платежа по этому векселю нельзя избежать: он может быть только отсрочен» Б. Коммонер.

Проблемы экологии. Определяющим фактором на формирование экологии как науки о взаимоотношений Человека и Природы остается проблема несоответствия потребностей человека в использовании природных ресурсов к возможностям Природы к безущербному для нее реализации этих потребностей. В результате этого несоответствия за многие годы природопользования и особенно за последние 50 лет образовались глобальные экологические проблемы. Основные из них:

ü изменение климата в результате повышения глобальной температуры (парниковый эффект);

ü повышение облучения поверхности Земли жесткой ультрафиолетовой радиацией, проникающей через разрушаемый озонный экран в верхних слоях атмосферы;

ü ухудшение условий жизнедеятельности живых организмов и человека в результате загрязнения атмосферного воздуха, поверхностных и подземных вод, вод Мирового океана, почв и грунтов поллютантами с различным механизмом токсического и физического воздействия, опасными потоками энергетической радиации, промышленными и бытовыми отходами;

ü повышение глобальной радиоактивности окружающей среды угнетающей физиологию живых организмов;

ü нарушение экологического равновесия в водных экосистемах в результате изменения гидрологического режима поверхностных вод под воздействием техногенных факторов;

ü опустынивание территорий, деградация почв, уменьшение пахотного клина;

ü сведение лесов, снижение глобальной биомассы растений.

Экологический кризис. Преобразующее влияние человека на природу неизбежно. Вносимые его хозяйственной деятельностью изменения в природу усиливаются по мере развития производительных сил и увеличения массы веществ, вовлекаемых в хозяйственный оборот.

Экологический кризис – кризис взаимоотношений общества и природы, сохранения окружающей среды. На протяжении тысячелетий человек постоянно увеличивал свои технические возможности, усиливал вмешательство в природу, забывая о необходимости поддержания в ней биологического равновесия.

Особенно резко возросла нагрузка на окружающую среду во второй половине XX в. Во взаимоотношениях между обществом и природой произошел качественный скачок, когда в результате резкого увеличения численности населения, интенсивной индустриализации и урбанизации нашей планеты хозяйственные нагрузки начали повсеместно превышать способность экологических систем к самоочищению и регенерации. Вследствие этого нарушился естественный круговорот веществ в биосфере, под угрозой оказалось здоровье нынешнего и будущего поколения людей.

Одним из факторов разрушения природной среды являются бытовые и промышленные отходы. Приблизительно за 500 лет до нашей эры в Афинах был издан первый из известных эдикт, запрещающий выбрасывать мусор на улицы, предусматривающий организацию специальных свалок и предписывающий мусорщикам сбрасывать отходы не ближе чем за милю от города. С тех пор мусор складировали на различных хранилищах в сельской местности. В результате роста городов свободные площади в их окрестностях уменьшались, а неприятные запахи, возросшее количество крыс, вызванное свалками, стали невыносимыми. Отдельно стоящие свалки были заменены ямами для хранения мусора, но так как ямы быстро заполняются, есть страх заражения подземных вод. Поэтому захоронение отходов сменилось их сжиганием. Первое систематическое использование мусорных печей было опробовано в Ноттингеме, Англия, в 1874 г. Сжигание сократило объем мусора на 70-90 %, тепло, выделяемое при сжигании мусора, стали использовать для получения электрической энергии, но не везде эти проекты смогли оправдать затраты. Многие города, которые применили эти печи, вскоре отказались от них из-за ухудшения состава воздуха. Захоронение отходов осталось в числе наиболее популярных методов решения данной проблемы. Наиболее перспективным способом решения проблемы является переработка городских отходов. Получили развитие следующие основные направления в переработке: органическая масса используется для получения удобрений, текстильная и бумажная макулатура используется для получения новой бумаги, металлолом направляется в переплавку. Основной проблемой в переработке является сортировка мусора и разработка технологических процессов переработки. Экономическая целесообразность способа переработки отходов зависит от стоимости альтернативных методов их утилизации, положения на рынке вторсырья и затрат на их переработку. Переработка, по сравнению с захоронением и сжиганием, — наиболее эффективный способ решения проблемы отходов, так как требует меньше правительственных субсидий. Кроме того, он позволяет экономить энергию и беречь окружающую среду. И поскольку стоимость площадей для захоронения мусора растет из-за ужесточения норм, а печи слишком дороги и опасны для окружающей среды, роль переработки отходов будет неуклонно расти.

В связи с этим многие страны принимают новые экстренные меры: усиление внимания к вопросам охраны природы и обеспечения рационального использования природных ресурсов; установка систематического контроля за использованием предприятиями и организациями земель, вод, лесов, недр и других природных богатств; сохранять водоохранные и защитные функции лесов, растительного и животного мира, предотвратить загрязнение атмосферного воздуха и усилить борьбу с производственным и бытовым шумом.

Контрольные вопросы

1. В какой современной редакции (изложении) определяется содержание экологии как науки?

2. Какие проблемы в экологии сформировались за последние 50 лет?

3. Какие разделы входят в базовую структуру современной экологии?

4. Что отражают законы, принципы и правила экологии?

5. Какие связи и взаимодействия в природной среде отражают четыре закона Б. Коммонера?

6. Что собой представляет понятие экологический кризис?

ЛЕКЦИЯ 2

Экологические системы

Определение понятия «Экосистема». Экосистема – это совокупность совместно обитающих живых существ и условий их существования, находящихся в определенной взаимосвязи друг с другом.

В масштабной иерархии экосистемы подразделяются на три типа: микроэкосистема (ствол гниющего дерева), мезоэкосистема (лес, луг, озеро и т.д.), макроэкосистема (регион, континент, океан). Все три типа экосистем совместно образуют глобальную экосистему – биосферу Земли. Каждый тип экосистемы имеет свои характерные черты и особенности, присущие ей в определенных условиях окружающей среды.

С учетом особенностей обитания живых организмов в различных средах (атмосфере, литосфере, гидросфере) Ю. Одум (1986) выделяет три группы природных экосистем: наземные (биомы), пресноводные и морские. Наземные экосистемы – это тундра, тайга, широколиственные леса, степи, пустыни, саванны, гилей (тропические леса) и др. Пресноводные экосистемы – это лентические (стоячие воды) в озерах, в прудах, в водохранилищах и др., а также лотические или текущие воды рек, ручьев. Морские экосистемы – это моря и океаны, воды континентального шельфа, районы апвеллинга (подъема океанических холодных глубинных вод богатых биогенными химическими элементами), астуарии (бухты, устья рек, лиманы) и глубоководные рифтовые зоны мирового океана.

Одним из определяющих показателей жизнедеятельности экосистемы является ее биологическая продуктивность, т.е. способность экосистемы производить живое вещество на единицу площади (обычно на км², га или м²) или на единицу объема в год. Синоним биологической продуктивности – продукция биомассы или просто биомасса, производимая за единицу времени, обычно за год.

Органическое вещество на Земле образуется в процессе фотосинтеза, т.е. термохимической реакции синтеза биогенных элементов (О, С, Н, Р и др.) под воздействием солнечной энергии. В основе фотосинтеза заключена обратимая химическая реакция между атмосферным углекислым газом и водой, в результате которой образуется органическое вещество и выделяется кислород, а в обратной реакции окисления органическое вещество распадается на углекислый газ и воду:

n[ CO₂ + H₂ O + ∆ g (фотосинтез) → ← (дыхание) ∆ h + CH₂ O+ O₂]

где: СО₂ - атмосферный углекислый газ;

Н₂О - вода, участвующая в реакции фотосинтеза;

∆g – энергия солнечной радиации, потребленная в процессе фотосинтеза;

∆h – энергия окисления орг. веществ в процессе дыхания растения ;

СН₂О – органическое вещество образуемое в процессе фотосинтеза и распадающееся в процессе окисления;

О₂ – кислород образуемый в процессе дыхания растения;

n – множитель, определяющий масштаб преобразований вещества и энергии в экосистеме.

Производителями органического вещества в экосистемах являются автотрофы – фотосинтезирующее растения на суше и в океане, называемые также продуцентами. Все продуценты Земли образуют общую биомассу в объеме 1841·10⁹ т., из которой на материковые экосистемы приходится 1837·10⁹ т. и на морские экосистемы 3,9·10⁹ т. Все остальные организмы, не участвующие в процессе фотосинтеза потребляют органическое вещество и являются производителями вторичной продукции биомассы. К производителям вторичной продукции биомассы относятся консументы и редуценты.

Консументы – это геторотрофы, к которым относятся все животные, а также часть микроорганизмов, паразитические и насекомоядные растения, питающиеся органическим веществом. В системе пищевых связей консументы подразделяются на консументы первого порядка (растительноядные), консументы второго порядка (плотоядные) и консументы третьего порядка (хищники).

Цепочку консументов замыкают редуценты – организмы, главным образом бактерии и грибы, потребляющие остатки органического вещества и превращающие их в неорганические. Редуценты относят к живым организмам, выполняющим функцию разлогателей остатков живых организмов из группы продуцентов и консументов и, тем самым, обеспечивающих биохимический круговорот веществ на Земле.

Компонентами экосистем по Н.Ф. Реймерсу (1992 г.) являются:

- климатоп – физические характеристики среды обитания живых организмов (солнечная энергия, вода, газы, минеральные вещества и др.);

- субстрат – питательная среда для растений и микроорганизмов (почва, грунт водоема, толща воды);

- живое вещество – масса живых организмов, населяющих Землю, включающих: продуценты (растения), консументы (животные) и редуценты (микроорганизмы, грибы и беспозвоночные);

- биоинформация – совокупность данных о количественном, качественном и динамическом (прошлом, настоящем и будущем) состоянии отдельных элементов экосистемы и самой экосистемы в целом.

Основными факторами, определяющими процессы существования и функционирования экосистем, являются:

- круговорот (обмен) энергии в экосистемах;

- круговорот веществ в экосистемах (воды, азота, фосфора, углерода и др.).

Экосистема как жизнеспособное экологическое образование обладает рядом свойств, присущих ей в независимости от ее типа, среды функционирования, места, времени и пр., а являющихся следствием биотических процессов, происходящих в самой экосистеме. Такими свойствами экосистем являются: устойчивость, чувствительность,самоочищение, саморегуляция, равновесие, динамика.

Устойчивость экосистемы – способность ее противостоять воздействиям негативных факторов внешней среды и сохранять свою структуру и жизнеспособность. Например, в наземной экосистеме снизились осадки на 50% по сравнению со среднегодовыми значениями, но масса растений при этом уменьшилась на 25%, а численность популяции растительноядных организмов - всего на 10%. Показатель снижения последствий воздействия негативных факторов по пищевым цепям служит мерой внутренней устойчивости экосистемы, ее способности противостоять изменениям среды. Или другой пример: экосистема пустыни, где в период засухи увядает большая часть растений, снижается активность представителей животного мира, - пустыня «вымирает». После активных дождей в пустыне оживает все: зеленеют и цветут растения, появляются многочисленные животные, идут активные биологические процессы в экосистеме.

Наиболее низкая устойчивость тундровых экосистем, где доминируют мхи и лишайники, неспособные противостоять изменениям среды, особенно антропогенного происхождения (загрязнение атмосферы, сдавливание почвы и др.).

Чувствительность экосистемы – способность ее к внутренним изменениям в результате незначительных внешних факторов негативного воздействия. Чувствительность экосистемы в целом определяется частными свойствами отдельных организмов (микроорганизмов, грибов, растений и животных) воспринимать определенные раздражители из внешней среды. Наиболее чувствительны животные с развитой нервной системой, способные к избирательной чувствительности на отдельные раздражители (температурные, световые, химические, биологические, вибрационные, звуковые, давление атмосферы и др.). Например, отмечается снижение численности отдельных видов и популяций животных (оленей, птицы боровой и водоплавающей) в районах пролета авиации на низких высотах, особенно вблизи крупных аэродромов.

Высокую чувствительность проявляют также отдельные растения на химические, энергетические, физические и др. раздражители. Эти свойства растений используются для биоиндикации районов возможного антропогенного воздействия. Такие живые биоиндикаторы реагируют на незначительные по величине воздействия, изменяя цвет листьев, строение ветки и др. Биоиндикаторы позволяют на ранних стадиях антропогенного воздействия на экосистему выявлять причины и источники негативного воздействия. Это свойство биоиндикаторов используется в биосферных заповедниках как наиболее чувствительный и достоверный механизм реагирующий на изменение внешней среды.

Самоочищение – способность экосистемы за счет своих физических, химических и биологических процессов, проистекающих в экосистеме, нейтрализовать или разрушить загрязнителей окружающей среды.

Очищение воздушных масс от загрязнителей (поллютантов) происходит в результате естественных процессов осаждения и вымывания атмосферными осадками. В водных системах очищение от загрязнителей происходит в результате физических процессов (осаждения частиц, их сорбции на различных поверхностях, испарения и др.), химических реакций (разрушение или преобразование химической структуры вещества в результате окислительно-восстановительных реакций, гидролиза, коагуляции и др.) и биологических преобразований (включение загрязнителей в обменные процессы живых организмов, где они преобразуются в менее сложные и опасные и др.).

Интенсивность самоочищающихся свойств экосистем зависит от конкретных физико-географических условий их функционирования. В северных районах с низкими температурами, с обедненным потоком солнечной энергии, самоочищение экосистем замедлено, а в некоторых районах тундры практически отсутствует.

Саморегуляция экосистемы – способность экосистемы к самовосстановлению внутренних свойств и структур после какого-либо природного или антропогенного воздействия, изменившего эти свойства и структуры. Саморегуляция реализуется через механизм обратной связи, существующей между отдельными составляющими экосистемы, это между подсистемами, отдельными элементами экосистемы, представителями живых организмов. Негативные внешние факторы вызывают в живых организмах ответные приспособительные реакции на молекулярном, организменном и надорганизменном уровнях. Механизмы саморегуляции весьма разнообразны, они способны перестраивать и изменять биологические процессы в организме и приспосабливать их к новым условиям изменяющейся среды (температуры, влажности, концентрации газовых компонентов атмосферы, состава и мощности энергетических потоков и др.). Диапазон саморегуляции экосистемы ограничен и является производной от жизнедеятельности отдельных ее элементов: продуцентов, консументов и редуцентов.

Равновесие экосистемы – это баланс естественных или измененных человеком средообразующих компонентов и природных процессов, приводящих к длительному существованию данной экосистемы или динамическое равенство прихода и оттока энергии, вещества и информации, поддерживающее экосистему в качественно определенном состоянии. В условиях равновесного состояния под воздействием внешних факторов экологическая система может переходить к закономерной смене одной экосистемы на другую в процессе сукцессионного (последовательного) развития, характерного для данного географического места и геологического периода. Различают компонентное экологическое равновесие, основанное на балансе экологических компонентов внутри одной экосистемы и территориальное экологическое равновесие, возникающее при разноуровневой эксплуатации природных объектов, обеспечивающих отсутствие сдвигов в экологическом балансе крупных территорий в целом. Эксплуатация природных ресурсов (минеральных, растительных, животных) должны проводиться с учетом относительного равновесия в природных системах без вмешательства непрогнозируемых или неуправляемых процессов в экосистемах.

Динамика экосистемы – изменение экосистемы под воздействием сил внешней среды и внутренних противоречий ее развития. Внешними силами воздействия могут быть параметры погоды, климата, антропогенные факторы и др. Внутренними противоречиями развития могут быть сукцессионные процессы, изменения кормовой базы, относительно обратимые или не обратимые смены сообществ в результате мощных изменений в течение очень длительного интервала времени (вековая динамика экосистемы), а также в результате циклических (периодических) изменений в сообществе (суточных, сезонных, погодно-температурных и т.д.), связанные со сменой сезонов в году (сезонная динамика экосистемы).

Контрольные вопросы

1. Что такое экосистема?

2. Что такое продуценты и какая их роль в формировании экосистемы?

3. Что такое консументы и их место в системе пищевых связей?

4. Что такое редуценты и какая функция отводится им в экосистемах?

5. Компоненты экосистем, основные факторы существования и функционирования?

6. Свойство экосистемы – устойчивость?

7. Свойство экосистемы – чувствительность?

8. Свойство экосистемы – самоочищение?

9. Саморегуляция экосистемы?

10. Равновесие экосистемы?

11. Динамика экосистемы?

ЛЕКЦИЯ 3

Биосфера – оболочка жизни

Окружающая среда на планете Земля по сравнению с другими средами иных планет имеет главную отличительную черту – в ней существует жизнь.

Биосфера – это оболочка Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов проявляется путем взаимодействия живого с неживой средой обитания. Она охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы.

В атмосфере областью существования живого вещества является ее нижняя часть от поверхности океана до озонного слоя до высот 20-25 км. Поле существования активной жизни ограничено в вертикальном пределе преимущественно на высоте около 6 км, до которой сохраняются положительные температуры в атмосфере и могут жить хлорофиллоносные растения – продуценты. В гидросфере жизнь организмов наблюдается во всей толще океана (до 11 км.) и в его осадочном слое до глубины 1-3 км. В литосфере жизнь наиболее активна на ее поверхности и в почве до глубины 1,0-2,0 м. Отдельные представители живых организмов обнаруживались на глубинах до 2-3 км. Наиболее «заселена» почва редуцентами в верхних ее слоях на глубину в 20-30 см. Биосфера является областью системного взаимодействия живого и неживого вещества, реализуемого через проявление абиотических и биотических факторов среды.

По Вернадскому биосфера – «область существования живого вещества», т.е. совокупность живых организмов и их биомассы. Организмы связаны «с окружающей средой биогенным потоком атомов: своим дыханием и размножением». Биогенная миграция атомов химических элементов под воздействием солнечной радиации формирует движение живой материи на молекулярном уровне, обеспечивая биологические процессы обмена веществ, роста и размножения организмов.

Энергия Солнца – энергия жизни. Большая часть энергии Солнца (66%), попадая на Землю, отражается и рассеивается в космическое пространство. Остальная часть идет на нагрев атмосферы и земной поверхности, колебание воздуха, воды, испарение и др. Только 0,023% солнечной радиации идет на формирование процесса фотосинтеза – образования органического вещества из неорганического в растениях. Непосредственно в фотосинтезе используется область спектра солнечной радиации в диапазоне 380-710 нм. Это спектр фотосинтетически активной радиации. В зависимости от высоты Солнца над горизонтом фотосинтетически активная радиация может составлять 28-90% от общего количества прямой радиации. Растения водных систем усваивают до 1,2% радиации фотосинтеза, тропические леса – до 3,4%, остальная растительность суши – в среднем 0,8-1,0%.

Ежегодно в результате окислительно-восстановительной реакции синтеза (фотосинтез) в биосфере усваивается около 200 млрд. т СО₂, источниками происхождения которого являются недра Земли, и выделяется около 145 млрд. т. свободного кислорода (О₂). Кислород в атмосфере образовался в результате фотосинтеза, где он находится в виде молекулы О₂ (свободный кислород), а также в виде озона О₃ и атомарного кислорода О. Свободный кислород поддерживает жизнь, участвует в химических реакциях с веществами в абиотических и биотических средах. Озон, образующий озоносферу (озоновый экран) создал условия благоприятствующие развитию живых организмов. Считается, что с образованием озонного слоя, препятствующего потоку солнечной радиации в жестком диапазоне УФ-излучения, возникли условия выхода жизни из воды на сушу.

Кислород – активный элемент в биосфере. Все высшие организмы – растения и животные дышат кислородом. Круговорот кислорода на Земле осуществляется в результате образования кислорода в ходе фотосинтеза растений и потребления его в ходе дыхания организмов (реакция окисления и других биохимических преобразований в тканях живых организмов). За все время существования зеленой растительности на Земле накопилось свободного кислорода в атмосфере до 1,18·10¹⁵ т. В основном круговорот кислорода происходит между атмосферой и живыми организмами. Считается, что на полный цикл обмена всего существующего объема кислорода в биосфере потребуется примерно 2000 лет.

За все многие миллионы лет на Земле фотосинтезом «наработано» большое количество кислорода, которого в нижних слоях атмосферы содержится до 20,95 объемных частей. Техногенная деятельность человека значительно снижает объем кислорода в атмосфере, что привело к уменьшению его объема до уровня 20,0 объемных частей. Естественный прирост кислорода не восполняет его убыль, сохраняется тенденция дальнейшего снижения кислорода в атмосферном воздухе.

Углерод – второй по значимости биофильный (биообразующий) элемент, участвующий в создании биомассы. В процессе фотосинтеза зеленых растений и некоторых микроорганизмов углерод из атмосферного диоксида углерода усваивается в тканях растений, образуя углеводороды. В ходе движения биомассы по пищевым цепям часть углерода высвобождается в виде диоксида углерода при переработке пищи, дыхания и разложения продуктов жизнедеятельности. Мертвые растения и животные разлагаются микроорганизмами до простейших элементов, где образуемый углерод окисляется до диоксида углерода и также возвращается в атмосферу. Таким образом, в биосфере осуществляется круговорот углерода, обеспечивая необходимый баланс построения биологической ткани живых организмов. Общее количество углерода в атмосфере по Реймерсу оценивается в 712 млрд. т., при этом средний годовой его прирост составляет 3 млрд. т. Часть свободного углерода атмосферы оседает в литосфере в виде химических соединений органогенных (органического происхождения) горных пород (торф, уголь, горные сланцы) и осадочных пород (известняки, доломиты). Все большее значение в круговороте углерода приобретает техногенное поступление диоксида углерода в атмосферу от массового сжигания органического топлива, что приводит к дисбалансу биогенных веществ в атмосфере в пользу СО₂ и возникновению «парникового эффекта» под его пологом.

Круговорот воды на Земле, происходящий под воздействием солнечной энергии, силы тяжести, жизнедеятельности живых организмов и хозяйственной деятельности человека создает условия благоприятствующие существованию живых организмов в естественных и искусственных условиях среды. Вода – идеальная среда миграции атомов, где осуществляются биохимические реакции абиотических и биотических элементов построения живого вещества. Физической основой круговорота воды служат солнечная радиация, способствующая нагреванию воды, ее испарению, переносу водных масс в атмосфере и сила тяжести, заставляющая конденсированную влагу выпадать на Землю в виде осадков и стекать на суше в направлении уклона. Круговорот воды создает основной механизм перераспределения на Земле веществ (солей, газов, взвесей и т.д.) и тепловой энергии. Основной источник поступления рассеянной воды на поверхность суши и океана – атмосферные осадки, а источник расхода воды – испарения воды с поверхности суши, океана, а также в результате жизнедеятельности растений и животных.

Почва в биосфере выполняет важную экологическую роль благоприятной среды взаимодействия живых организмов с литосферой, гидросферой и атмосферой. Почва является самостоятельным природным образованием, оказывающая, как и Мировой океан, решающее влияние на всю биосферу. Она активно участвует в круговороте веществ и энергий, поддерживает газовый состав атмосферы Земли. Совокупная роль почвы в развитии биосферных и социально-экологических процессов проявляется рядом показателей, из которых главные следующие:

1. Экологическая биосферная функция почвы – это обеспечение развития всего разнообразия растительного и животного мира.

2. Почва определяет показатель компоненты состояния природных и культурных ландшафтов, обеспечивающих социальную, духовную и хозяйственно-экологическую деятельность человека.

3. Почва – это геохимический регулятор движения, обмена веществ и химических элементов между атмосферой, литосферой, гидросферой и биосферой в целом, а также и антропосферой (сферой деятельности человека).

4. Почва – это природный ресурс, обеспечивающий производство основных продуктов питания для человека и средств труда его благосостояния.

Биоинформация – свойство среды обитания живых организмов, самих живых организмов, экологических систем и биосферы в целом воспринимать сведения о собственном внутреннем прошлом, настоящем и будущем состоянии и удерживать ее во времени, передавать сведения и свойства живых организмов с учетом эволюционных процессов и изменяющихся условий среды.

Основными источниками биоинформации являются: геологические данные о происхождении минеральных пород, их залегании, чередовании и т.п.; палеонтологические данные об истории развития живых организмов, процессах их эволюции, местах обитания и особенностях поведения и т.п.; генетические данные о наследственности живых организмов и особенностях передачи генной информации в сфере живых организмов и т.п.; социально-экономические данные о местах обитания и демографии людей, их социальном, экономическом и культурном положении, а также данные о физиологии человека, животных и растений; данные о миграции биогенных элементов; данные о популяциях и видах растений и животных и ареалах их распространения и т.д.

Биоинформация как природный ресурс, как элемент биосферы, находится в начальной стадии его освоения человеком. Объем биоинформации по количеству бит значительно превышает техническую, экономическую, культурную и прочие информации вместе взятые. Так по данным энциклопедического экологического словаря, 1999 г. издания, объем биоинформации, необходимой для практических целей управления природопользования страны составляет не менее 10¹⁰ бит. Для сравнения, запас информации современной цивилизации (наука, техника, искусство, музыка, спорт и т.д.) оценивается в 10⁹ бит.

Важным элементом биосферы, характеризующим «область существования живого вещества» выступает понятие «экологическая ниша».

Экологическая ниша – это физическое пространство, занимаемое видом или организмом, где проявляется его функциональная роль в сообществе и соответствие его физиологических особенностей условиям внешней среды (температуре, влажности, кислотности почв и др.). Вся биосфера подразделена на экологические ниши и вторжение человека в локальное место обитания какого-либо вида или организма, либо изменение условий его жизнедеятельности нарушает жизнеспособный баланс биосферы, прекращает естественные конкурентные взаимодействия и приводит к распаду генома организма.

Ноосфера (от греч. – разум и шар) – это понятие «сферы разума» ввел французский математик и философ Ле-Руа в 1927 г. В.И. Вернадский в статье «Несколько слов о ноосфере» (1944 г.) писал: «В общежитии обычно говорят о человеке как о свободно живущем и передвигающемся на нашей планете индивидууме, который свободно строит свою историю. До сих пор историки, вообще ученые гуманитарных наук, а в известной мере и биологи, сознательно не считаются с законами природы биосферы – той земной оболочки, где может только существовать жизнь. Стихийно человек от нее неотделим». Вернадский показал, что биосфера все больше начинает зависеть от деятельности человека. Разнообразные по характеру проявления и масштабам воздействия современные техногенные факторы, создаваемые человеком, деградируют окружающую среду. В биосфере происходят глобальные изменения основных ее составляющих: климата, круговорота веществ и энергий, биоресурсов, экосистем. Человек должен создать управляемую среду существования, где разумная человеческая деятельность станет главным и определяющим фактором развития на Земле. Такая среда – высшая стадия развития биосферы, по Вернадскому – ноосфера «оболочка разума», где человек должен следовать законам биосферы и учитывать ограничения, налагаемые этими законами на развитие цивилизации.

Биосфера включает в себя атмосферу, гидросферу; литосферу.

Атмосфера – внешняя оболочка Земли выполняет ряд важнейших функций: воздух используется живыми организмами как природный ресурс, в промышленности он нужен в качестве сырья для добычи кислорода, азота, аргона, криптона, ксенона и неона, в технике воздух применяется в виде рабочего тела. Атмосфера выполняет роль защиты всего живого на Земле от потока солнечных и космических излучений в широком диапазоне волн и энергии; ультрафиолетового излучения, рентгеновских и гамма лучей и др.; от излишней энергии Солнца: без атмосферы поверхность Земли нагревалась бы днем до 100°С, а ночью охлаждалась бы до – 100° С; от падения метеоритов, сгорающих в атмосфере.

Современная атмосфера Земли по химическому составу относится к азотно-кислородному типу (табл. 1). Таблица 1

Химический состав атмосферы Земли

Элементы и газы		По объему, %	По массе, %
Азот		78,084	75,5
Кислород		20,946	23,14
Аргон		0,934	1,28
Неон		0,0018	0,0012
Гелий		0,000524	0,00007
Криптон		0,000114	0,0003
Водород		0,00005	0,000005
Углекислый газ (в среднем)		0,034	0,0466
Водяной пар:	в полярных широтах	0,2	—
Водяной пар:	у экватора	2,6	—
Озон:	в тропосфере	0,000001	—
Озон:	в стратосфере	0,001 ... 0,0001	—
Метан		0,00016	0,00009
Окись азота		0,000001	0,0000003
Окись углерода в городах		до 0,000008	0,0000078

Свойства газовой оболочки Земли неодинаковы по вертикали. В частности, большое значение имеет высотное падение атмосферного давления: на высоте около 6200 м, его величина уменьшается вдвое по сравнению с уровнем моря. Этот фактор важен для фотосинтеза в силу зависимости этой реакции от парциального давления СО₂, а также для аэробных организмов, поскольку процесс газообмена прямо зависит от величины парциального давления кислорода. Не вполне одинаково и состояние газов на разных высотах. Условно атмосферу принято делить на тропосферу и стратосферу. Граница между этими зонами лежит на высоте около 8-12 км. В основе возникновения озона из молекулярного кислорода лежит процесс фотодиссоциации (химическая реакция при которой химические соединения разлагаются под действием фотонов). Озоновый слой располагается на высоте 10–100 км; максимальная концентрация озона регистрируется на высоте около 20 км. Озоновый экран имеет громадное значение для сохранения жизни на Земле: в слое озона поглощается большая часть идущего от Солнца ультрафиолетового излучения, причем в его коротковолновой части, наиболее губительной для живых организмов. До поверхности Земли доходит лишь мягкая часть потока ультрафиолетовых лучей с длиной волны около 300–400 нм, относительно безвредных, а по ряду параметров необходимых для нормального развития и функционирования живых организмов.

Гидросфера – прерывистая водная оболочка Земли – также исключительно важна для создания условий, обеспечивающих жизнь на Земле: для протекания биологических и биофизических процессов в организмах, для прохождения фотосинтеза с образованием органического вещества и выделения кислорода, для геологического преобразования планеты. Водяной пар в атмосфере фильтрует солнечную радиацию, а вода на поверхности Земли смягчает действие высоких температур.

Состав гидросферы включает все типы водоемов и водотоков. В наиболее общем виде принято деление гидросферы на Мировой океан, континентальные воды и подземные воды. Поскольку основная масса воды сосредоточена в водоемах океанического типа (табл. 2), свойства водной среды обычно рассматривают на примере Мирового океана. Океан занимает около 71 % поверхности Земли, тогда как на внутренние водоемы приходится лишь около 5%.

Таблица 2

Дата добавления: 2020-11-23; просмотров: 86; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!