Лекция 3: Характеристика основных абиотических факторов, их лимитирующая роль в хозяйственной деятельности.

План:

3.1 Характеристика основных абиотических факторов.
3.2 Оценка значения экологических факторов в жизни организмов и хозяйственной деятельности.

3.3 Климат как фактор рентабельности хозяйственной деятельности человека.

Планета Земля – замкнутая открытая система, равновесие которой определяется постоянным обменом энергии с надсистемой – космосом и другими системами Вселенной. В основе энергетического равновесия планеты лежит постоянный приток солнечной энергии.

Характеристика основных экологических факторов и их роли в хозяйственной деятельности человека

Основные абиотические факторы:

Свет. Солнечный свет - основной источник энергии, обеспечивающий все жизненные процессы на земле. Ядерные реакции Солнца дают 0, 4 октиллиона Дж ежесекундно (Дж — Джоуль, единица энергии и работы). Эта ядерная энергия превращается в излучение, которое непрерывным потоком частиц и электромагнитных волн уносится с поверхности звезды в мировое пространство.

Земля потребляет из указанного количества 0, 3 квинтиллиона Дж. Точно такое же количество выделяется ядерными реакциями внутри планеты. Внутренняя энергия дает тепло недр, которое расходуется «на химию» — дегазацию мантии и «на механику» — тектонические процессы (горообразование, вулканизм и т. д.), а также на инфракрасное планетное излучение. Если принять солнечную энергию, достигающую земли, за 100%, то 19% ее поглощается при прохождении через атмосферу, 34% отражается обратно в космическое пространство и 47% достигает земной поверхности в виде прямой и рассеянной радиации.

Взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляется перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами 3емли.

Осадочные горные породы, образованные за счет выветривания магматических пород, в подвижных зонах земной коры вновь погружаются в зону высоких температур и давлений. Там они переплавляются и образуют магму — источник новых магматических пород.

После поднятия этих пород на земную поверхность и действия процессов выветривания вновь происходит трансформация их в новые осадочные породы. Символом круговорота веществ является спираль, а не круг. Это означает, что новый цикл круговорота не повторяет в точности старый, а вносит что-то новое, что со временем приводит к весьма значительным изменениям.

Большой круговорот — это и круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу. Влага, испарившаяся с поверхности Мирового океана (на что затрачивается почти половина поступающей к поверхности Земли солнечной энергии), переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стока. Круговорот воды происходит и по более простой схеме: испарение влаги с поверхности океана — конденсация водяного пара — выпадение осадков на эту же водную поверхность океана.

Подсчитано, что в круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. км³ воды.

Круговорот воды в целом играет основную роль в формировании природных условий на нашей планете. С учетом транспирации воды растениями и поглощения ее в биогеохимическом цикле, весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается за 2 млн. лет.

На Земле 66, 6% полученной от Солнца энергии расходуется на нагрев воды, а 23, 1% на нагрев суши. Почти ровно 10% уходит на нагрев воздуха. Т.о., осуществляется баланс температур на земной поверхности. Климатические пояса и режим погоды в них сформировались за счет этих 99, 7% солнечного тепла. Энергия ветров, циклонов, морских течений, волн, прибоев, рек возникла из тепловой энергии Солнца. Биохимическая энергия отдельных живых организмов и целых экосистем Земли, потребляют на продуцирование белка 0, 3% принимаемой планетой энергии.

Прямая солнечная радиация - это электромагнитное излучение с длинами волн от 0, 1 до 30000 нм. На ультрафиолетовую часть спектра приходится от 1 до 5% потока радиации, падающего на Землю, на видимую - от 16 до 45%, на инфракрасную - от 49 до 84%. Распределение энергии по спектру зависит от массы атмосферы и высоты солнца.

Действие разных участков спектра солнечного излучения на живые организмы:

Ультрафиолетовые лучи (УФЛ)

До поверхности Земли доходят только длинноволновые (290-380 нм) УФЛ. Губительные для всего живого коротко волновые УФЛ поглощаются на высоте около 20-25 км озоновым экраном.

Длинноволновые УФЛ, обладающие большой энергией фотонов, имеют высокую химическую активность. Большие дозы их вредны для организмов, а небольшие - необходимы многим видам. В диапазоне 250-300 нм УФЛ оказывают мощное бактерицидное действие, у животных и у человека вызывают образование «антирахитического» витамина Д. При длине волны 200-400 нм ультрафиолет вызывает у человека загар, который является защитной реакцией кожи.

Инфракрасные лучи. Лучи с длиной волны более 750 нм оказывают тепловое действие.

Видимая радиация. Видимый солнечный свет несет приблизительно 50% суммарной энергии. Область видимой (воспринимаемой человеческим глазом) радиации (300-800 нм). В этих пределах выделяют область активной фотосинтетической радиации (ФАР). Видимый свет имеет разное экологическое значение для автотрофных и гетеротрофных организмов. Зеленым растениям свет нужен для процессов фотосинтеза или воздушного питания. Он также влияет на газообмен, синтез белков и нуклеиновых кислот, ростовые процессы и развитие растений, определяет сроки цветения и плодоношения.

Для животных солнечный свет не является таким необходимым фактором, как для зеленых растений, так как, в конечном счете, все гетеротрофы существуют за счет энергии, накопленной растениями. Свет для животных и человека - необходимое условие видения, зрительной ориентации в пространстве. Рассеянные, отраженные от окружающих предметов лучи, воспринимаемые органами зрения, дают значительную часть информации о внешнем мире. Развитие зрения у животных шло параллельно с развитием нервной системы. Для человека свет является внешним раздражителем, который через зрительный анализатор влияет на состояние нервной системы, повышая активность коры больших полушарий.

С экономической точки зрения важнейшим показателем является К.П.Д. фотосинтеза, повысить который в данной природной зоне ни какими путями невозможно. В свою очередь КПД фотосинтеза зависит от множества других факторов: режима выпадения осадков, влагоемкости и водопроницаемости почвы, температуры, влажности, скорости и направления движения воздуха, атмосферного давления, соотношения пасмурных и солнечных дней в году.

Средний КПД фотосинтеза составляет 0.1%, однако в разных регионах Земли может составлять от 13% до 0, 01%.

Возможности использования энергии солнечного излучения в производственных целях ограничены, так как современные гелиоэлектростанции, солнечные батареи по своей себестоимости превосходят стоимость извлекаемой ими энергии.

Вода.

Протекание всех биохимических процессов в клетках и нормальное функционирование организма в целом возможно только при достаточном обеспечении его водой.

Дефицит влаги - одна из наиболее существенных особенностей наземно-воздушной среды. Вся эволюция наземных организмов шла под знаком приспособления к добыванию и сохранению влаги. Режимы влажности среды на суше очень разнообразны - от полного и постоянного насыщения воздуха водяными парами в тропиках до практического отсутствия в воздухе пустынь.

Водообеспечение наземных организмов зависит также от режима выпадения осадков, наличия водоемов, запасов почвенной влаги, грунтовых вод и т.д. В среднем 0, 5% воды идет на фотосинтез, а остальная - на восполнение испарения и поддерживание внутреннего давления клеток.

В целом запасы воды на Земле значительны: до 80% поверхности планеты занято водой, однако пресная вода составляет от этих запасов только 3%.

На долю Мирового океана приходится 71% земной поверхности. Водная среда отличается от наземной плотностью и вязкостью. Плотность воды в 800 раз, а вязкость в 55 раз больше плотности воздуха. Наряду с этим важнейшими особенностями водной среды являются: подвижность, температурная стратификация, прозрачность и соленость, от которых зависят фотосинтез бактерий и фитопланктона и своеобразие среды обитания гидробионтов.

При этом пресные водоемы распределены очень неравномерно. Например, 80% пресной воды на территории России сосредоточены в одном - единственном водоеме - озере Байкал. Последние годы возник острый дефицит пресной воды, связанный прежде всего с увеличением ее расходов в сельском хозяйстве (орошение) и в промышленности. Происходящее при этом загрязнение водоемов усугубляет дефицит. Все водоемы постоянно загрязняются естественным путем продуктами выделений и мертвыми остатками организмов, смывами с поверхности почвы. Однако это естественное природное загрязнение нейтрализуется процессами самоочищения водоемов, включающих растворение и разбавление, осаждение нерастворимых компонентов, поэтапную утилизацию основной массы органических и минеральных веществ всем комплексом населяющих водоем организмов.

Антропогенное загрязнение воды превышает естественные возможности водоемов к самоочищению.

Наземные водоемы обладают существенным запасом потенциальной энергии. Однако возможности ее эффективного использования зависят от рельефа местности, длительности и глубины замерзания рек и озер. Так, рельеф большей части территории России – равнинный, перепад высот в наших реках меньше, чем даже в Западной Европе, большая часть рек зимой замерзает.

Воздух

Газовый состав воздуха в приземной атмосфере по содержанию основных компонентов однороден (азот - 78, 1%, кислород - 21%, аргон - 0, 9%, углекислый газ - 0, 04-0, 03% по объему) благодаря постоянному перемешиванию конвекционными и ветровыми потоками.

Азот для большинства обитателей среды является инертным газом, но ряд микроорганизмов способен связывать его и вовлекать в биологический круговорот.

Кислород необходим для окислительных процессов в организмах. Благодаря постоянному высокому содержанию не является фактором, лимитирующим жизнь в наземной среде, за исключением высокогорных районов.

Углекислый газ имеет чрезвычайно большое значение в связи с потреблением растениями в процессе фотосинтеза. Его содержание может изменяться в отдельных участках приземного воздуха в значительных пределах. Низкое содержание СО2 тормозит фотосинтез, излишнее - токсично. Углекислый газ относится к числу так называемых «парниковых» газов, и его концентрация в атмосфере существенно влияет на характер теплового обмена планеты с окружающей средой.

Различные газообразные, капельно-жидкие и пылевидные примеси, поступающие в воздух, могут существенно влиять на живые организмы. Основным источником этого загрязнения атмосферы является производственная деятельность человека. У живых организмов на земле нет механизмов, позволяющих приспособиться к другому химическому составу воздуха.

Растительный и животный мир нашей планеты эволюционировал при барометрическом давлении 740-760 мм рт. ст. (на уровне моря) и большинство современных видов приспособлено к данному атмосферному давлению. С высотой давление уменьшается и на высоте 5800м равно половине нормального, что ограничивает распространение видов в горах. Это нарушает снабжение организма человека кислородом, снижая его работоспособность.

Влажность воздуха влияет на его плотность и теплопроводность. Скорость движения воздуха и его теплопроводность влияют на уровень отдачи тепла. Направление движения воздуха определяют его температуру и режим выпадения осадков.

Антропогенные изменения атмосферы

Производственная деятельность человека приводит к изменениям в постоянном газовом составе атмосферы.

СО2. Увеличение концентрации СО2 в атмосфере происходит вследствие широкомасштабного сжигания топлива. В течение 20-го века его концентрация увеличилась с 0, 03% до 0, 04%. Поскольку отраженные от поверхности Земли солнечные лучи задерживаются молекулами углекислого газа, то указанное увеличение концентрации ведет к развитию так называемого " парникового эффекта" и повышению среднегодовой температуры на 1, 2 градуса. Такое общее потепление климата на планете неизбежно приводит к нарушению сложившегося равновесия в атмосфере и непредсказуемым погодным и климатическим изменениям.

О_2. Годовой расход кислорода на Земле в 1000 раз превышает его образование зелеными растениями. И хотя изменений концентрации кислорода в атмосфере пока не наблюдается, экологи считают, что дальнейшее уменьшение площадей лесных массивов (особенно в экваториальном поясе) в сочетании с увеличением потребления неизбежно приведет к снижению доли кислорода в атмосфере.

Температурный режим

Температура отражает среднюю кинетическую скорость атомов и молекул в какой-либо системе. От температуры окружающей среды зависит температура организмов и, следовательно, скорость всех химических реакций, составляющих обмен веществ. Однако эффективность химических реакций в клетках определяется не только температурой, но и участием катализаторов – белков-ферментов. Поэтому границы существования жизни - это температуры, при которых возможно нормальное строение и функционирование белков, в среднем от 0 до +50⁰С. Колебания температуры на земном шаре достаточно велики. В пустынях Африки и Австралии температура нередко превышает 50-60⁰С. Самая низкая температура на Земле достигает – (-)70-80⁰С. Эти крайне низкие и крайне высокие температуры неприемлемы для жизни подавляющего большинства организмов. Относительно нормальная человеческая деятельность возможна лишь на так называемой «эффективной территории», которая находится ниже 2000м над уровнем моря со среднегодовой температурой не ниже -2⁰с. В России эффективной является треть территории, вытянутая с запада на восток сравнительно узкая полоса.

Любая система, от организма до любого предприятия и жилья, существует только при наличии определенного количества внутренней энергии и работоспособна при ее неравномерном распределении внутри системы. Но изолированных систем не существует. Любая система отдает часть своего внутреннего тепла окружающей среде. Величина теплоотдачи зависит от разницы температур между поверхностью системы и окружающей среды и от площади поверхности.

Сохранить постоянство, а значит, и работоспособность системы, можно только за счет уменьшения отдачи тепла (теплоизоляция между рабочей частью системы и ее поверхностью) и за счет постоянной подачи тепловой энергии в рабочую часть системы. При этом, чем больше разница температур, тем больше подача тепла в систему.

Почва и рельеф местности

Почвой называют рыхлый поверхностный слой земной коры, обладающий плодородием, представляющий комплекс минеральных и органических частиц, заселенный множеством микроорганизмов, простейших и беспозвоночных (нематод и насекомых). Минеральными компонентами служат измельченные частички горных пород. Органическая часть слагается из растительных и животных организмов, их мертвых остатков и гумуса. Механическое строение почвы (размеры минеральных частиц и их пористость) определяет ее такие экологически значимые свойства, как: воздухопроницаемость, водопроницаемость и влагоемкость (способность удерживать воду в порах).

От типа почвы и ее химического состава зависят растительность местности, химический состав пищевых продуктов растительного и животного происхождения. Недостаток или избыток тех или иных химических элементов в почве приводит к их недостатку или избытку в воде и пищевых продуктах, что оказывает влияние на здоровье населения. Пониженное или повышенное содержание ряда элементов приводит к развитию геохимических эндемических заболеваний: эндемическая зобная болезнь (недостаток йода), флюороз (избыток фтора), эндемическая подагра (избыток молибдена) и др. Чаще всего от этих заболеваний страдает сельское население, потребляющее продукты питания местного происхождения.

Почвенная микрофлора, как правило, состоит из безвредных сапрофитов. В то же время почва постоянно инфицируется патогенными микробами и яйцами гельминтов, попадающими в нее вместе с продуктами выделений инфицированных организмов или их трупами. Гибель большинства болезнетворных микроорганизмов в почве обусловлена воздействием солнечных лучей (на поверхности), неблагоприятными температурой и влажностью, недостатком питательных веществ, конкуренцией с сапрофитами. Не образующие спор патогенные микробы (возбудители кишечных заболеваний, чумы, туберкулеза, бруцеллеза, туляримии и др.) погибают в зависимости от конкретных условий в течение нескольких дней, недель или месяцев.

Постоянное загрязнение почвы продуктами жизнедеятельности живых организмов и их мертвыми остатками не приводит к накоплению этих отходов благодаря непрерывному процессу самоочищения почвы.

Самоочищение почвы - это длительный многоступенчатый процесс превращения мертвых органических остатков в воду, углекислый газ, минеральные соли и гумус.

Экологические факторы

Один и тот же фактор среды имеет различное значение в жизни совместно обитающих организмов разных видов. Например, сильный ветер зимой неблагоприятен для крупных, обитающих открыто, животных, но не действует на более мелких, которые укрываются в норах или под снегом. Солевой состав почвы важен для питания растений, но безразличен для большинства наземных животных и т. п.

Некоторые экологические факторы остаются относительно постоянными на протяжении длительных периодов времени эволюции видов: сила тяготения, солевой состав океана, основные свойства атмосферы. Однако большинство экологических факторов изменчивы в пространстве и во времени.

Несмотря на большое разнообразие экологических факторов, в характере их взаимодействия на организмы и в ответных реакциях живых существ можно выявить ряд общих закономерностей.

Закон оптимума

Каждый фактор имеет лишь определенные пределы положительного влияния на организм. Как недостаточное, так и избыточное действие фактора отрицательно сказывается на жизнедеятельности особей.

Зона оптимума (или оптимум) экологического фактора - благоприятная сила воздействия для организмов данного вида.

Чем сильнее отклонения от оптимума, тем больше выражено угнетающее действие данного фактора на организмы (зона пессимума). Максимально и минимально переносимые значения фактора - это критические точки, за пределами которых существование уже невозможно и наступает смерть. Пределы выносливости за критическими точками называют экологической валентностью живых существ по отношению к конкретному фактору среды.

Представители разных видов сильно отличаются друг от друга и по оптимуму и по экологической валентности. Одна и та же сила проявления фактора может быть оптимальной для одного вида, пессимальной для другого и выходить за пределы выносливости третьего.

Закон лимитирующих факторов

Факторы среды, имеющие в конкретных условиях пессимальное значение, особенно ограничивают возможность существования вида в данных условиях, вопреки и несмотря на оптимальное сочетание других отдельных условий.

Этот закон справедлив не только для существования естественных природных систем, но и для хозяйственной деятельности человека. Особенно значимы в этом отношении абиотические климатические факторы, ограничивающие рентабельность, а нередко и саму возможность отельных видов хозяйственной деятельности.

Прежде чем рассмотреть этот вопрос, необходимо уточнить некоторые основные экономические понятия.

Эффективность производства - это не полезность продукции, а соотношение между издержками и выручкой.

Капитал – это факторы производства: сырье, оборудование, персонал, энергия, помещения. Из валютно-денежных ресурсов к капиталу относятся только те, что расходуются на приобретение факторов производства. То, что расходуется на личное потребление - это не капитал. В эффективной экономике недопустима утечка капиталов (факторов производства), допустим лишь обмен одних факторов производства на другие. Продажа сырья, энергии, оборудования, квалифицированных специалистов и покупка на вырученные деньги продуктов, бытовой техники, других товаров, удовлетворяющих потребности человека, такая же утечка капитала, как и вложение этой выручки в другие предприятия и отрасли.

Конкурентоспособность - это превышение доходов над расходами. Следовательно, главным в конкурентной борьбе являются не новые технологии, изобретения или уровень гражданских свобод, а минимальность издержек. То есть, если труд рабов обходится дешевле роботехники при производстве товаров того же качества, то рабовладельческое хозяйство в конкуренции выиграет. Конкуренция лишь тогда действенна, когда она разоряет и губит отстающих. С появлением фондовой биржи, когда появилась возможность относительно свободно и анонимно перемещать капиталы из предприятия в предприятие, из отрасли в отрасль, выживание рентабельного, но менее прибыльного по сравнению с конкурентами, предприятия стало невозможно. Это положение распространяется и на уровень национальных государственных экономик.

В свободном рынке готовая продукция стоит примерно одинаково во всем мире, а вот издержки на производство этой продукции разные. Поэтому капиталы перетекают туда, где издержки ниже. Причины высоких издержек могут быть разными: лень, пьянство работников, плохая организация работы и т. п. Среди всех этих причин есть причины, не зависящие от людей: масштабы и характер территории, распределение природных ресурсов, климат.

Совокупность этих факторов составляет пространственно-географический фактор рентабельности.

Важнейшим фактором рентабельности любого производства являются транспортные расходы. Самый дешевый вид транспорта в мире – морской, следующий по дешевизне – речной. Следовательно, перевезти норильский никель в Лондон или даже в Южную Америку дешевле, чем в Москву. С точки зрения транспортных расходов, российские источники сырья для российской же промышленности расположены не ближе, чем для западноевропейской или южноазиатской, так как основными транспортными средствами являются железные дороги, трубопроводы и автотранспорт, которые в силу географических и климатических условий чрезвычайно дороги и энергоемки. Что касается рек, то они, во-первых, на длительное время замерзают, во-вторых, текут в основном в меридиональных направлениях и являются скорее препятствием для сухопутных видов транспорта.

Распределение природных ресурсов чрезвычайно разнообразно, но неравномерно как по вертикали, так и по горизонтали. Поэтому, если в расчете на страну Россия богата сырьевыми и энергетическими ресурсами, то в пересчете на единицу площади это далеко не так. Залежи отдельных видов ресурсов, необходимых для конкретного производства, разбросаны по огромной территории, на разной глубине, в труднодоступных пластах земной коры, в неблагоприятных для жизнедеятельности климатических условиях. С учетом транспортных расходов это приводит к высоким внутренним ценам на сырье и энергоносители. Очевидно, что в условиях мирового рынка цены на сырье примерно одинаковы. Следовательно, инвестиции в сырьевую отрасль подчиняются той же закономерности – перетекают туда, где издержки добычи данного сырья ниже. Соответственно эффективность и конкурентоспособность сырьевой отрасли зависят не только от объемов и общего количества природных ресурсов, но и от издержек добычи сырья. Отсюда практически нерентабельной является разработка в России новых месторождений золота, так как требует больше затрат, чем стоят запасы. Производство никеля и меди в Норильске, алюминия в Красноярске рентабельно только в силу искусственно заниженных по сравнению с мировыми внутренних цен на газ и электроэнергию. В то же время себестоимость добычи нефти, газа, угля, а значит и электроэнергии примерно в 2, 5 раза выше средней в мире. Поэтому со стороны инвесторов мы видим заинтересованность не во вложениях в разработку месторождений (разработка продолжается в основном за счет инфраструктуры советского периода), а в средства транспортировки ресурсов: в газо- и нефтепроводы, в распределение электроэнергии.

Климат

Погодные изменения – это постоянное варьирование сочетания таких факторов среды, как температура, влажность воздуха, облачность, осадки, сила ветра, атмосферное давление. Для погодных изменений наряду с закономерным сезонным чередованием в годовом цикле характерны непериодические колебания, что усложняет существование наземных организмов. Многолетний режим погоды характеризует климат местности. В это понятие входят не только средние значения метеорологических явлений, но также их годовой и суточный ход, отклонение от него и их повторяемость. Климат определяется географическими условиями района. Зональное разнообразие климатов осложняется действием ветров, распределением циклонов и антициклонов, рельефом местности, степенью удаления от океана (континентальность) и многими другими факторами. Очень часто местные элементы среды (рельеф, освещенность, наличие водоемов и т. п.) так изменяют в конкретном участке режим температуры, света, влажности, движения воздуха, что он значительно отличается от климатических условий местности. Такие локальные модификации климата называются микроклиматом.

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 7 8 9 10 Следующая ⇒