Понятие биогеохимического цикла

Лекция 2

ОСНОВЫ ЭКОЛОГИИ

Биосфера включает в себя все живое вещество планеты и среду его обитания. Основоположником науки о биосфере является Вернадский В.И.

В биосфере выделяют газовую (атмосфера), водную (гидросфера) и каменную (литосферу) оболочки земли. Вернадский выделяет 7 видов веществ в биосфере. Важнейшими из них являются:

- живое – совокупность всех живых организмов на планете (микроорганизмы, растения, животные);

- биогенное – вещество, создаваемое и перерабатываемое живыми организмами на протяжении геологической истории (нефть, известняки, каменный уголь);

- косное – вещество неорганического происхождения (в его образовании живое вещество не участвует);

- биокосное – вещество, создаваемое одновременно в процессе жизнедеятельности живых организмов и в процессах неорганической природы (вода биосферы, почва).

Радиоактивные элементы, рассеянные атомы (образуются из земного вещества под влиянием космического излучения), вещества космического происхождения.

Этапы образования биосферы

1. Этап химической эволюции:

образование простейших органических соединений из неорганических веществ в результате действия УФ излучения, ионизирующего излучения Солнца, электрических разрядов (грозовая деятельность), местных источников тепла вулканического происхождения;

2. Развитие многоклеточности, где идет обмен не только веществом и энергией, но и генетической информацией.

3. Этап антропогенеза, т.е. появление человека. Под воздействием человека происходит постепенное преобразование биосферы в ноосферу (сфера разума) – гипотетическая стадия развития биосферы в будущем, когда разумная деятельность людей станет главным определяющим фактором ее устойчивого развития.

Однако современное состояние человеческого общества и отношение к природе заставляет задуматься о возможности такого перехода биосферы в ноосферу.

Основные функции биосферы

1. Энергетическая функция выполняется за счет аккумулирования растениями солнечной энергии в процессе фотосинтеза. Часть этой энергии перераспределяется между компонентами биосферы, часть накапливается в отмершей органике (образуются биогенные вещества торф, уголь, нефть), часть рассеивается.

2. Газовая функция обеспечивает газовый состав атмосферы в процессах миграции и превращения газов.

3. Концентрационная функция заключается в избирательном извлечении и накоплении живыми организмами биогенных элементов из ОС. (Живые организмы могут служить для человека как источником полезных (витамины, аминокислоты), так и опасных для здоровья веществ (тяжелые металлы, ядохимикаты)).

4. Деструктивная функция обуславливает процессы, связанные с разложением мертвой органики.

5. Средообразующая функция состоит в трансформации химических параметров среды в условия, благоприятные для существования организмов.

Биологическое разнообразие

Биологическое разнообразие появилось в результате взаимодействия двух процессов видообразования и вымирания видов. Биологическое разнообразие – это главный критерий устойчивости биосферы. Оно включает два взаимосвязанных понятия: генетическое разнообразие – это многообразие генетических свойств у особей одного вида и видовое разнообразие - многообразие видов внутри экологических систем.

Биологическое разнообразие обеспечивает человечество новыми источниками питания, сырья, лекарственных и химических продуктов. Биоразнообразие – это «страховая политика» природы против катастрофических возмущений ОС.

Закон константности живого вещества планеты

Вернадского В.И.

Количество живого вещества биосферы в пределах рассматриваемого геологического периода есть величина постоянная.

Живое вещество – это энергетический и химический посредник между Солнцем и поверхностью Земли. Если бы количество живого вещества колебалось, то энергетика планеты была ба непостоянной.

Количественное постоянство касается и числа видов. В эволюции живого одни виды образовывались, а другие вымирали из-за изменений условий среды. Однако если бы число видов резко колебалось, биосфера потеряла бы свойство надежности. Отсюда следует правило константности числа видов – число нарождающихся видов, в среднем равно, числу вымирающих, и общее разнообразие в биосфере есть константа.

Гипотеза Геи

Совершенно очевидно, что абиотическая среда, т.е. физические факторы, контролируют деятельность живых организмов. В то же самое время, сами организмы влияют на абиотическую среду и контролируют ее разнообразными способами. Объяснить современный состав атмосферы с высоким содержание кислорода, низким количеством углекислого газа и умеренным температурным режимом нельзя без учета буферной активности живых организмов. Суть Гипотезы Геи – именно живые организмы сыграли основную роль в развитии и регуляции геохимической среды, благоприятной для них.

Понятие биогеохимического цикла

Земля – это конечное физическое тело, следовательно, запас любых химических элементов и их соединений – конечен, и за большой промежуток времени существования земли должен быть исчерпан. Этого не происходит, так как вещества на планете вовлечены в круговорот. Круговорот химических соединений из неорганической среды через растительные и живые организмы обратно в неорганическую среду посредством солнечной энергии называется биогеохимическим циклом.

Можно выделить два круговорота: большой и малый.

Большой (геологический) разрушение горных пород в процессе выветривания, поступление продуктов разрушения в Мировой океан, отложение на дне, поднятие морского дна. Миллионы лет.

Малый круговорот происходит на уровне экосистем: питательные вещества через продуцентов к консументам к редуцентам и обратно в ОС.

Энергетика биосферы и трофические цепи

Процессы преобразования веществ в ходе круговоротов требуют затрат энергии. Энергия также необходима для существования живых организмов, которые не способны ее продуцировать, а получают ее извне.

Первичным источником энергии для биосферы является Солнце. От него Земля получает около 99% энергии. Около 50 % этой энергии достигает поверхности суши и океанов. Часть этой энергии отражается и направляется в космическое пространство, а часть поглощается, превращаясь в тепловую, затрачивается на испарение воды. Живые организмы получают ничтожно малое количество энергии, достигающей поверхности Земли. Эта энергия усваивается в процессе фотосинтеза, затем трансформируется в химическую энергию биологических молекул и рассеивается в космическом пространстве в виде теплового излучения. В процессе фотосинтеза связывается всего около 0, 02 % энергии, получаемой от Солнца. Однако за счет этой энергии может синтезироваться несколько тысяч граммов сухого органического вещества на 1 м² земной поверхности в год. Более половины энергии, связанной при фотосинтезе, расходуется на дыхание, а остальная часть идет на наращивание биомассы. Таким образом, первичная продукция на Земле создается в клетках растений и некоторых бактерий под воздействием солнечной энергии. Животные используют солнечную энергию опосредованно, через органическое вещество, созданное фотосинтетиками.

Экологические системы

Экосистема – это совокупность организмов и неорганических компонентов, в которой осуществляется круговорот веществ. Термин впервые ввел Тенсли.

Экосистемы – это основные функциональные единицы биосферы. Например, лес, пруд, капля воды и т.д. Самая крупная экосистема – это биосфера.

Экосистема состоит из двух основных компонентов: автотрофного и гетеротрофного.

- автотрофные организмы – самопитающиеся, поглощают энергию Солнца и вещества из ОС, создают органические вещества из неорганических (растения, водоросли, некоторые бактерии). К автотрофным относятся продуценты - это автотрофные организмы, производящие в процессе фото- или хемосинтеза первичные органические вещества;

- гетеротрофные организмы используют в качестве пищи готовые органические вещества (травоядные, хищники, человек). К ним относятся консументы первичные (животные, питающиеся растениями) и вторичных (хищники) и редуценты (деструкторы) - гетеротрофные организмы, разлагающие органические остатки всех трофических уровней (грибы, бактерии, черви и т.д.).

Существуют миксотрофные организмы, сочетают автотрофный и гетеротрофный режимы питания (например, водные одноклеточные организмы при хорошей освещенности питаются автотрофно, а при плохой гетеротрофно).

Кроме того, экосистема взаимодействует с участком неживой природы, поэтому ее компонентами являются неорганические вещества, а также органические соединения (белки, углеводы, липиды и т.д.), воздушная, водная и субстатная среды, включающие климатический режим и физические факторы.

Структуру экосистемы можно рассмотреть на примере биогеоценоза - эволюционно сложившаяся, пространственно ограниченная, однородная природная система взаимосвязанных живых организмов и окружающей их абиотической среды, характеризующаяся определенным энергетическим состоянием, обменом веществ и информацией.

Биогеоценоз

1. Биоценоз 2. экотоп

1.1.фитоценоз (сообщество растений) 2.1. климатоп (атмосфера,

1.2.зооценоз (сообщество животных) климат, вода)

1.3.микробоценоз 2.2.эдафотоп (почва, грунт)

(сообщество микроорганизмов)

Биоценоз – сообщество животных, растений и микроорганизмов, населяющих участок среды обитания с более или менее однородными условиями жизни.

Типы экосистем

1. Естественные или природные:

- движимые солнцем и несубсидируемые извне (например, открытый океан);

- движимые солнцем и субсидируемые другими естественными источниками (например, лес).

Естественные экосистемы можно разделить на 2 типа: наземные (лес, степь, пустыня) и водные (моря, реки, озера). Наземные экосистемы отличаются друг от друга значением абиотических факторов (средняя температура, количество осадков и т.д.). Водные – количеством растворенных в воде питательных веществ, глубиной проникновения солнечных лучей, температурой воды и т.д.

В наземных экосистемах продуценты представляют собой крупные организмы, у которых от года к году происходит накопление биомассы. Например, прирост деревьев в лесу, созревание плодов, рост трав. Накопленную биомассу можно изъять в виде урожая.

В водных экосистемах продуценты в основной своей массе мелкие (фитопланктон). У них происходит частая смена поколений. Продуктивность экосистемы велика, но в каждый момент времени биомасса мала и в качестве урожая взять нечего.

2. Искусственные экосистемы:

- движимые солнцем и субсидируемые человеком (агроценоз). Это системы производящие продукты питания. Агроценоз не обладает саморегуляцией, но характеризуется высокой продуктивностью.

- движимые топливом (ископаемым, органическим или ядерным). Эти системы зависят от экосистем трех первых типов, паразитируют на них, получая продукты питания и топливо.

Продуктивность экосистем

Экосистемы обладают продуктивностью, т.е. способностью образовывать и расходовать органическое вещество. Продуктивность рассматривают, как скорость образования вещества (биомассы).

Основная (первичная) валовая продуктивность определяется, как скорость усваивания солнечной энергии продуцентами в процессе фотосинтеза.

Однако часть созданного вещества расходуется на дыхание, т.е. на поддержание собственной структуры. Фактическая (чистая первичная) продуктивность – накопленное всей экосистемой вещество «-» расходы на дыхание. Органическое вещество, образующее чистую первичную продуктивность, доступно растительным консументам, а через них плотоядным. Например, 1 га леса воспринимает примерно 2 10⁹ кДж энергии. Если все это растительное вещество сжечь получится примерно 1 10⁶ кДж, что составляет 0, 5 %. Фактическая продуктивность не превышает 0, 5 %. При передаче от каждого предыдущего звена трофической цепи к последующему теряется 90-99 % энергии.

Консументы создают органическое вещество за счет чистой первичной продуктивности, но сами синтезировать органическое вещество из неорганического не могут. Продуктивность консументов – это вторичная продуктивность.

Для сравнения продуктивности отдельных видов, популяций и экосистем определяют удельную продуктивность – величина продукции животных или растений, отнесенная к их средней биомассе за один и тот же отрезок времени.

Экологические системы, в которых отношение продуцируемой биомассы (Р) к расходам на дыхание (R) больше 1 (P/R> 1), называется экосистемой с автотрофной сукцессией. Суммарная биомасса в таких системах возрастает.

Если соотношение (P/R< 1) - суммарная биомасса уменьшается, экосистема характеризуется гетеротрофной сукцессией.

Если Р = R – запасы биомассы и энергии остаются постоянными, такая система называется климаксовой.

Трофические цепи

Трофическая цепь – это последовательный перенос вещества и энергии от их источника – зеленого растения - через ряд других организмов на более высокий трофический уровень, т.е. путем поедания одних организмов другими.

Компонентами трофической цепи являются:

- продуценты – это автотрофные организмы, производящие в процессе фото- или хемосинтеза первичные органические вещества;

- консументы – гетеротрофные организмы. Различают первичных консументов (животные, питающиеся растениями) и вторичных (хищники).

- редуценты (деструкторы) - гетеротрофные организмы, разлагающие органические остатки всех трофических уровней (грибы, бактерии, черви и т.д.).

Трофические цепи удобно представлять в виде экологических пирамид. Различают экологические пирамиды энергии, биомассы и численности.

При движении по экологической пирамиде происходит уменьшение численности и биомассы и рассеивание энергии. Минимум 90% энергии расходуется на поддержание собственной структуры, т.е. на дыхание и только максимум 10 % переходит на следующий трофический уровень. Описанная закономерность называется «правилом десяти процентов» или закон Линдемана: « С одного трофического уровня экологической пирамиды на другой переходит не более 10 % энергии, поступившей на этот уровень».

С другой стороны. При движении по трофической цепи наблюдается концентрирование токсичных веществ.

Например: зерновые растения → мыши → куропатки → совы

Содержание токсичных веществ в зерновых растения составляет 1 мг, а коэффициент накопления равен 10, тогда согласно закону концентрирования в мышах будет накапливаться 10 мг, в куропатках 100 мг, а в совах 1000мг токсичного вещества. В общем случае формула для расчета выглядит следующим образом: С_n = C_в∙ кⁿ

где С_в – содержание на начальном звене трофической цепи или в среде (вода, почва);

С_n – содержание в искомом звене трофической цепи;

к – коэффициент накопления.

Лекция 3

Законы экологии

Законы экологии Коммонера

Эти законы сформулированы в начале 70-х годов ХХ в., американским ученым Коммонером:

1. Все связано со всем. Это закон об экосистемах и биосфере, обращающий внимание на всеобщую связь процессов и явлений в природе. Он призван предостеречь человека от необдуманного воздействия на отдельные части экосистем, что может привести к непредвиденным последствиям (например, осушение болот приводит к обмелению рек). Это закон внутреннего динамического равновесия.

2. Все должно куда-то деваться. Это закон о хозяйственной деятельности человека, отходы от которых неизбежны, и потому необходимо думать как об уменьшении их количества, так и о последующем их использовании.

3. Природа «знает» лучше. Это закон разумного, сознательного природопользования. Нельзя забывать, что человек - тоже биологический вид, что он - часть природы, а не ее властелин. Это означает, что нельзя пытаться покорить природу, а нужно сотрудничать с ней. Пока мы не имеем полной информации о механизмах и функциях природы, а без точного знания последствий преобразования природы недопустимы никакие ее " улучшения".

4. Ничего не дается даром. Это закон рационального природопользования. "... Глобальная экосистема представляет собой единое целое, в рамках которого ничего не может быть выиграно или потеряно и которая не может являться объектом всеобщего улучшения". Платить нужно энергией за дополнительную очистку отходов, удобрением - за повышение урожая, санаториями и лекарствами - за ухудшение здоровья человека

Экология популяции _

Вид – множество живых организмов, сходных по строению и способных скрещиваться друг с другом, давая потомство.

Группировка особей одного вида с общим генофондом, сходной морфологией и единым жизненным циклом – это популяция.

Популяция характеризуется:

- плотностью – число особей на единицу площади или объема;

- возрастной структурой – количественное соотношение особей разного возраста;

- половой структурой – соотношение мужских и женских особей.

В процессе эволюции каждый вид формирует свою зону жизнедеятельности, выбирает оптимальные условия существования, занимая определенное положение в экосистеме. Совокупность всех факторов среды, в пределах которых возможно существование вида в природе – это экологическая ниша.

Виды загрязнения.

1. Химическое загрязнение, которое подразделяется на естественное и антропогенное.

Примером естественного загрязнения, может быть извержение вулкана, в результате которого в атмосферу попадает большое количество химических соединений, которые разлагаются в ней до простых веществ, вовлекаемых в круговорот веществ.

При антропогенном загрязнении в атмосферу попадают вещества синтезированные человеком, аналогов которым в природе не существует ( ксенобиотики). Ксенобиотики в природе не разлагаются или разлагаются очень медленно. Как, правило, все они являются канцерогенами - вещества способствующие возникновению злокачественных опухолей (например, диоксины).

2. Механическое загрязнение – засорение среды без физико-химических изменений.

3. Физическое загрязнение – изменение физических характеристик среды. Включает в себя:

- тепловое загрязнение – изменение температуры среды, связано с сжиганием огромного количества топлива

- акустическое (ш умовое) загрязнение – это одна из форм физического загрязнения, адаптация к которому практически не возможна. Основные источники - технические устройства, транспорт. Человеческое ухо воспринимает звук с частотой от 16 до 20000 Гц, звук с частотой ниже 16 Гц называется инфразвук, выше 20000 Гц – ультразвук. Инфразвук и ультразвук человеком не чувствуются, но наносят вред его здоровью. Уровень звука измеряется в децибеллах (дБ).

- оптическое (световое) загрязнение – изменение оптических свойств среды;

- электромагнитное загрязнение - повышение уровня электромагнитных излучений, в результате работы различных приборов (телевизор, компьютер, мобильный телефон и т.д.). Наблюдается расстройство нервной системы, снижение свойств иммунной системы, функции щитовидной железы и т.д.

- радиоактивное загрязнение – изменение естественного радиационного фона. Главный источник атомные электростанции.

4. Биологическое загрязнение – проникновение в экосистему несвойственных (чуждых) ей биологических организмов (микробов, вирусов, растений, животных и т.д.).

5. Социально психологическое загрязнение - возникновение аномальных психологических полей, приводящих к массовым увлечениям, психозам, состоянию страха и т.д.)

Человек приспосабливается к изменениям ОС. Изменение физиологических и морфологических характеристик живого организма под влиянием факторов природной среды, называется биологическая адаптация.