Лекции по экологии - файл n1.doc

Лекции по экологии
скачать (152.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc153kb.18.09.2012 16:21скачать

n1.doc



ЛЕКЦИЯ 1. Взаимодействие организма и среды обитания. Концепция экосистемы и представление о биосфере.
Объект, предмет и задачи экологии. Структура современной экологии. Уровни организации биологических систем. Понятие о среде обитания и экологических факторах. Лимитирующие факторы. Концепция экосистемы. Основные экосистемы Земли. Динамические процессы, протекающие в экосистемах. Свойства и функции экосистем. Геосферные оболочки Земли. Структура и границы биосферы. Круговорот веществ в природе. Функции живого вещества в биосфере. Учение
В.И. Вернадского о ноосфере.
Объект, предмет и задачи экологии

Экология (1866, Э. Геккель) (от греч. ойкос – дом и логос – учение) - наука, изучающая закономерности существования, формирования и функционирования биологических систем всех уровней - от организма до биосферы и их взаимодействие с внешними условиями.

Главный объект изучения экологииэкосистемы (единый природный комплекс, образованный живыми организмами и средой обитания).

Предметом экологии является структура связей между организмом и средой.

Задачи экологической науки весьма разнообразны:

- исследование механизмов регуляции численности популяций живых организмов;

- исследование биологического многообразия;

- изучение и прогнозирование изменений биосферы под влиянием природных и антропогенных факторов, оценка их экологических последствий;

- сохранение, воспроизводство и рациональное использование природных ресурсов;

- улучшение качества окружающей среды путем оптимизации инженерных, экономических, организационно-правовых и иных решений;

- экологизация сознания людей.

Структура современной экологии

Основной частью экологии как биологической науки является общая экология, которая изучает общие закономерности взаимоотношений любых живых организмов и среды.

В составе общей экологии выделяют разделы:

  1. Аутэкология – исследует индивидуальные связи отдельного организма (вида, особи) с окружающей его средой.

  2. Популяционная экология (демоэкология) – изучает структуру и динамику популяций отдельных видов.

  3. Синэкология – изучает взаимоотношение популяций, сообществ и экосистем со средой.

Экология классифицируется также по конкретным объектам и средам исследования – то есть различают экологию животных, экологию растений, экологию микроорганизмов.

Современная экология не ограничивается рамками биологической дисциплины. Она превращается в междисциплинарную науку, изучающую сложные взаимодействия человека с окружающей средой (инженерная экология, сельскохозяйственная экология, геоэкология).

С научно-практической точки зрения экологию делят на: теоретическую и прикладную. Теоретическая вскрывает общие закономерности организации жизни, а прикладная изучает механизмы разрушения биосферы человеком, способы предотвращения этого процесса и разрабатывает принципы рационального использования природных ресурсов. Основой прикладной экологии служат законы, и принципы теоретической экологии.

Экологическими проблемами Земли занимается глобальная экология. Взаимоотношения в системе «общество-природа» изучает социальная экология. Взаимодействие человека как биосоциального существа с окружающим миром рассматривает экология человека.

Уровни организации биологических систем

Главные уровни организации жизни: ген, клетка, орган, организм, популяция, сообщество (биоценоз). Экология изучает уровни от организма до экосистем. В ее основе лежит теория эволюционного развития органического мира Ч. Дарвина, базирующаяся на представлении о естественном отборе (в результате борьбы за существование выживают наиболее приспособленные организмы, которые передают выгодные признаки, обеспечивающие выживание своему потомству, которое может их развить дальше, обеспечив стабильное существование данному типу организмов в данных условиях среды. Если условия изменяться, то выживают организмы с более благоприятными для новых условий признаками, переданными им по наследству).

Роль среды в эволюции и существовании организмов не вызывает сомнений.

Эта среда была названа абиотической (неживой), а составляющие ее отдельные части (воздух, вода и др.) факторы (температура) называют абиотическими компонентами, в отличие от биотической среды и биотических компонентов, представленных живым веществом.

Организм – целостная система, взаимодействующая с внешней средой как биотической, так и абиотической.

Биологический вид – совокупность особей, обладающих общими морфологическими признаками, способных к скрещиванию и обитающих в определенном ареале.

Популяция – совокупность особей одного вида, обменивающихся генетической информацией, способных поддерживать свою численность в оптимальных пределах при изменяющихся условиях окружающей среды на определенной территории.

Биоценоз (Мёбиус) – совокупность совместно обитающих популяций разных видов микроорганизмов, растений, животных.

Биогеоценоз (В.Н. Сукачев) – однотипное растительное сообщество, вместе с населяющим его животным миром, включая микроорганизмы, с соответственным участком земной поверхности, особыми свойствами микроклимата, геологического строения почвы и водного режима.

Экосистема (А. Тенсли) – это единый природный комплекс, образованный живыми организмами и средой обитания.

Особое значение для выделения экосистем имеют трофические, т.е. пищевые, взаимоотношения организмов, регулирующие всю энергетику биологических сообществ и всей экосистемы в целом.

Все организмы делятся на две группы:

Автотрофные - используют неорганические источники для своего существования, создавая органическую материю из неорганической. К ним относятся: фотосинтезирующие зеленые растения суши, сине-зеленые водоросли, некоторые хемосинтезирующие бактерии.

Гетеротрофные - потребляют только готовые органические вещества. К ним относятся все животные, человек, грибы. Их в свою очередь делят на:

Организмы вступают между собой в сложные трофические взаимоотношения. Одни производят продукцию, другие ее потребляют, третьи преобразуют ее в неорганическую форму. Это соответственно продуценты, консументы и редуценты.

Продуценты – это производители продукции, которыми потом питаются все остальные организмы.

Консументы – потребители органического вещества. Среди них есть:

Редуценты – восстановители. Они возвращают вещества из отмерших организмов в неживую природу, разлагая органику до простых неорганических составляющих. Возвращая в почву или воду биогенные элементы, они завершают биохимический круговорот (бактерии, грибы).

В зависимости от среды обитания организмы подразделяют на аэробные – живущие при наличии кислорода и анаэробные - живущие в бескислородной среде.

Органический мир делят на 2 империи – доклеточные (вирусы) и клеточные. Клеточные подразделяются на прокариотов (низкоорганизованные доядерные организмы, в клетках которых ДНК не отделимо от цитоплазмы мембраной. Это бактерии, сине-зеленые водоросли) и эукариотов (высокоорганизованные ядерные организмы с ДНК внутри ядра. Их делят на животных, растений, грибов). Вся совокупность растительных организмов данной территории – флора, животных – фауна. Совокупность флоры и фауны образует биоту.

Понятие о среде обитания и экологических факторах. Лимитирующие факторы

Среда обитания организма - это совокупность абиотических и биотических условий его жизни.

Свойства среды постоянно меняются и любые существа чтобы выжить приспосабливаются к этим изменениям.

Земной биотой освоены три среды обитания: водная, наземно-воздушная, почвенная и 4-ая дополнительная – живые организмы, заселенные паразитами и симбиотами.

Экологические факторы – определенные условия и элементы среды, которые оказывают специфическое воздействие на организм. Их делят на: абиотические, биотические и антропогенные.

Абиотическими факторами называют всю совокупность факторов неорганической среды, влияющих на жизнь и распространение животных и растений. Среди низ выделяют физические (температура, влажность) и химические (соленость воды, кислотность почвы).

Цвет и интенсивность окраски животных зависит от содержания пигмента – меланина. На его образование влияет два фактора – влажность и температура среды. Высокая влажность и высокая температура вызывает потемнение окраски, а низкая влажность и температура – посветление. Совокупное действие двух факторов дает результирующий эффект (американские кроты штата Вашингтон имеют черный мех, в Калифорнии, где климат суше – коричневый, а на юге Калифорнии – серебристый мех).

В комплексном действии факторов среды значение отдельных экологических факторов неравноценно. Среди них выделяют ведущие и второстепенные.

Ведущими являются те факторы, которые необходимы для жизнедеятельности. Обычно, у разных организмов ведущие факторы разные, даже если организмы живут в одном месте. Кроме того, смену ведущих факторов наблюдают при переходе организма в другой период своей жизни. Так, в период цветения ведущим фактором растения может быть свет, а в период формирования семян – влага и питательные вещества. Иногда недостаток одного фактора компенсируется усилением другого: в Арктике продолжительный световой день компенсирует недостаток тепла.

Биотические факторы – это совокупность влияния жизнедеятельности одних организмов на жизнедеятельность других и на неживую среду обитания.

Все виды взаимодействий между организмами можно подразделить на симбиоз, антибиоз и нейтрализм.

Симбиоз - любое сожительство организмов разных видов, приносящее пользу хотя бы одному из них (рак отшельник и актиния);

Антибиоз - форма взаимоотношений, при которой оба партнера или один из них испытывает отрицательное влияние. К таким отношениям относя конкуренцию, хищничество и паразитизм.

Конкуренция – отрицательное воздействие организмов друг на друга, в борьбе за пищу, местообитание и другие необходимые для жизни условия. Наиболее отчетливо проявляются на популяционном уровне. Конкуренция может быть внутривидовая и межвидовая.

Хищничество – отношение между хищником и жертвой, заключающиеся в поедании одного организма другим.

Паразитизм – взаимодействие организмов, при котором один из них живет за счет другого, находясь на поверхности или внутри его тела.

Нейтрализм – взаимонезависимость разных видов, обитающих на одной территории. Например белки и лоси не конкурируют друг с другом.

Антропогенные факторы связанны с деятельностью человека и могут быть как положительными (посадка лесов, парков, садов, создание новых пород растений и животных), так и отрицательными (вырубка лесов, загрязнение окружающей природной среды отходами производства и потребления).

Лимитирующие (ограничивающие) экологические факторы – факторы, ограничивающие развитие организмов из-за недостатка или их избытка по сравнению с потребностью (оптимальным содержанием). Например, не только недостаток фосфора в почве снижает урожай, но и его избыток.

Факторы могут действовать изолировано и совокупно. Так урожай зависит от совокупного действия температуры, влажности, питательных элементов и т.п.

Всю сложность влияния экологических факторов на организм отражает закон толерантности В. Шелфорда: отсутствие или невозможность процветания определяется недостатком (в качественном или количественном смысле) или, наоборот, избытком любого из ряда факторов, уровень которых может оказаться близким к пределам переносимого данным организмом. Эти два предела называют пределами толерантности. Организмы с узким пределом толерантности называют стенобионтами (речная форель чувствительна к содержанию кислорода в воде и может обитать только в реках с бурным течением), а с широким – эврибионтами (микроорганизмы). Эврибионтные организмы наиболее распространены на Земле.

Концепция экосистемы

Экосистема – пространственно определенная совокупность живых организмов и среды их обитания, объединенных вещественно-энергетическими и информационными взаимодействиями.

Термин введен в экологию английским ботаником А. Тенсли (1935).

Концепция экосистемы играет весьма важную роль в экологии, благодаря гибкости самого понятия: оно применимо к относительно простым искусственным (аквариум, теплица, обитаемый космический корабль) и сложным естественным системам (озеро, лес), к системам любого масштаба (от пруда до Мирового океана, от пня в лесу до обширного лесного массива – тайги и т.п.).

Экосистемы подразделяют на:

В экосистеме есть абиотический компонент – биотоп (экотоп) – участок с одинаковыми ландшафтными, климатическими, почвенными условиями, а также биотический компонент –сообщество или биоценоз (совокупность популяций разных видов животных, растений, микроорганизмов). «Биотоп (атмосфера, литосфера, гидросфера)+ биоценоз (растения, животные, микроорганизмы) = биогеоценоз» – элементарная наземная экосистема.

Природные экосистемы - открытые системы: они должны получать и отдавать энергию и вещества. Запасы веществ, усвояемые организмами, прежде всего продуцентами, в природе не безграничны. Если бы эти вещества не использовались бы многократно, то жизнь на Земле была бы невозможна. Такой "бесконечный" круговорот биогенных компонентов (фосфор, азот, магний, калий, сера и т.п.) возможен лишь при наличии в экосистеме функционально различных групп организмов, способных осуществлять и поддерживать поток веществ, извлекаемых ими из окружающей среды. Поэтому в каждую экосистему входят организмы с разными группами питания: продуценты, консументы, детритофаги (питаются мертвой органикой – гнилостные бактерии, черви, жуки-копрофаги. Участвуют в образовании почвы, торфа, донных отложений водоемов), редуценты (минерализуют органику до СО2, воды и минеральных элементов). Их совместное функционирование не только поддерживает целостность биоценоза, но и обуславливает самоочищение среды экосистемы.

Важная характеристика экосистем – разнообразие видового состава. При этом выделяют закономерности:

  1. Чем разнообразнее условия биотопов в пределах экосистемы, тем больше видов содержит биоценоз;

  2. Чем больше видов в экосистеме, тем меньше особей в популяциях (в тропических лесах малые популяции, а в сухих степях, тундре некоторые популяции достигают большой численности);

  3. Чем разнообразнее биоценоз, тем устойчивее экосистема. Эксплуатируемые человеком системы представлены малым числом видов (агроценозы с монокультурами) и не способны самоподдерживаться;

  4. Никакая часть экосистемы не может существовать без другой. Если исчезает группа организмов, то по закону цепных реакций исчезают и другие, может разрушиться все сообщество (пчелы исчезнут к 2035 году из-за инфекций типа СПИД, пестицидов и сотовой связи). Однако бывает и так, что через некоторое время после исчезновения вида на его месте оказываются другие организмы, выполняющие сходную функцию (это правило дублирования). Так копытных замещают грызуны, цапель на болотах кулики.

Основные экосистемы Земли

Самой крупной экосистемой на Земле является биосфера. Наиболее крупные наземные экосистемы, соответствующие основным климатическим зонам Земли (пустынные, травянистые и лесные) называют биомами, а основные экосистемы, существующие в водной среде – водными экосистемами.

Для Земли характерна горизонтальная зональность климата в региональном масштабе, и вертикальная – в горных системах. Отсюда следует и зональность наземных экосистем. При их классификации принято использовать признаки растительных сообществ и климатические, например, лес хвойный, лес тропический, холодная пустыня и т.п. При выделении водных экосистем использовано разделение по солености воды (пресноводные, морские), характеру ее движения, наличию биогенных элементов. Классификация природных экосистем по Ю. Одуму:

  1. Наземные биомы

  1. Тундра: арктическая и альпийская

  2. Бореальные хвойные леса

  3. Листопадный лес умеренной зоны

  4. Степь умеренной зоны

  5. Тропические степи и саванны

  6. Чаппараль – районы с дождливой зимой и засушливым летом (Средиземноморье, Калифорния, южный берег Австралии, Мексика, экалипты, лавры)

  7. Пустыня: травянистая и кустарниковая

  8. Полувечнозеленый тропический лес: выраженный сухой и влажный сезоны (Центральная Америка, тропическая часть Азии)

  9. Вечнозеленый тропический дождевой лес (Южная Америка, Мадагаскар)

  1. Типы пресноводных экосистем

  1. Лентические (спокойные) – озера, пруды и т.п.

  2. Лотические (омывающие) – реки, ручьи, родники

  3. Заболоченные угодья: болота и болотистые леса

  1. Типы морских экосистем

  1. Открытый океан (пелагическая зона)

  2. Воды континентального шельфа (прибрежные воды, до 200 м)

  3. Районы апвеллинга (плодородные районы с продуктивным рыболовством, расположены вдоль западных пустынных берегов континентов)

  4. Эстуарии (прибрежные бухты, проливы, устья рек, соленые марши и т.п.).

Динамические процессы, протекающие в экосистемах


Экосистемы испытывают различные динамические процессы: цикличность и сукцессия.

Цикличность - суточная, сезонная и многолетняя периодичность внешних условий и проявление внутренних ритмов организмов.

Суточные циклы наиболее резко выражены в условиях климата высокой континентальности, где значительная разница между дневными ночными температурами. Например, в пустынях Средней Азии многие животные ведут летом ночной образ жизни, а зимой переходят на дневной (пауки, змеи). Однако суточные ритмы наблюдаются во всех географических зонах, и даже в тундре в полярный день растения закрывают и открывают цветки в соответствии с этими ритмами.

Сезонная цикличность заключается в том, что на определенный период (сезон) из биоценоза «выпадают» целые популяции животных, впадающих в спячку, исчезают однолетние травы. В неблагоприятные сезоны некоторые виды мигрируют в районы с лучшими условиями существования (перелетные птицы, копытные млекопитающие).

Многолетняя цикличность проявляется благодаря флуктуациям климата (неравномерное выпадение осадков по годам, с периодическим повторением засух, хорошо иллюстрируется повторением массовых размножений животных, например саранчевых).

Сукцессия – процесс последовательной смены биоценозов, преемственно возникающих на одной и той же территории.

Причиной начала сукцессии в ряде случаев является изменение фундаментальных свойств среды обитания, возникающие под влиянием комплекса факторов. Такие факторы бывают естественными (отступление ледников, извержение вулкана, наводнения, землетрясения) и антропогенными (расчистка лесных угодий, распашка степи, создание прудов и водохранилищ, открытая добыча полезных ископаемых).

В зависимости от обстоятельств, предшествующих началу процесса, сукцессии делят на:

По общему характеру сукцессию делят на первичную и вторичную.

Первичная сукцессия – начинается на субстрате, не измененном (или почти не измененном) живыми организмами (например, через серию промежуточных сообществ формируются устойчивые сообщества на скалах, обрывах, остывшей вулканической лаве). Одной из основных функций сукцессий такого рода является постепенное накопление органических остатков, и как результат, создание или изменение почвы первыми колонистами. Первичная сукцессия может длиться 1000 лет.

Вторичная сукцессия – развивается на субстрате, первоначально измененном деятельностью комплекса живых организмов, существовавших на данном месте ранее – до пожара, наводнения, вырубки… В таких местах обычно почва или донные отложения не уничтожены, то есть сохраняются богатые жизненные ресурсы. В почве могут сохраниться споры, семена, корневища и влиять на сукцессию. Наблюдается на заброшенных сельхоз полях, сгоревших или вырубленных лесных участках, затопленных землях. Новая растительность может появиться в течение нескольких недель. Вторичная сукцессия, как правило, является следствием деятельности человека. Длиться 150-250 лет. Пример – «цветение» водоемов, в результате сброса в них стоков, обогащенных биогенными элементами, и их эвтрофикация (зарастание), превращение в болото.

Свойства и функции экосистем

Свойства экосистем являются следствием иерархической организации уровней жизни. При объединении подмножеств в более крупные у образующихся систем возникают качественно новые эмерджентные свойства, отсутствующие на предыдущем уровне. Таким образом, экосистема обладает не только суммой свойств, входящих в нее подсистем, но характеризуется и собственными, присущими только ей свойствами:

  1. Взаимодействие автотрофных и гетеротрофных процессов – наиболее важная функция любых систем. В течение значительного геологического периода (600 млн. – 1 млрд. лет назад, кембрий) небольшая, но заметная часть синтезируемого органического вещества не расходовалась, а сохранялась и накапливалась в осадках. Именно преобладание скорости синтеза над скоростью разложения органических веществ и явилось причиной уменьшения содержания углекислого газа и накопления кислорода в атмосфере. Это подтверждает тот факт, что состав атмосферы на нашей планете резко отличается от условии на других планетах Солнечной системы. Согласно гипотезе Геи, предложенной Лавлоком (1979), состав атмосферы «Земли без жизни» приближался бы к составу атмосферы на Марсе или Венере (около 98% СО2 и следы кислорода, 2% азота. У нас 20,93 кислород, 78,09 азот, 0,03 угл. газ). Именно живые организмы сыграли основную роль в формировании геохимической среды Земли, благоприятной для всех других организмов. Примерно 300 лет назад отмечался особенно большой избыток органической продукции, что привело к образованию горючих ископаемых. За счет этой энергии человек смог совершить промышленную революцию. За последние 60 млн лет в атмосфере выработалось флуктурирующее, но относительно постоянное соотношение кислорода (21%) и углекислого газа (0,03%). Установившееся соотношение скоростей автотрофных и гетеротрофных процессов может служить одной из главных функциональных характеристик экосистем. Отношение концентраций кислорода и угл. газа отражает соотношение аккумулированной продуцентами и рассеянной консументами энергии. Причем в разных экосистемах баланс этих процессов может быть положительным или отрицательным. Существуют системы с преобладанием автотрофных процессов (тропический лес), т.е. с положительным биотическим балансом, или наоборот –гетеротрофные (город). Человек ускоряет процессы разложения, сжигая органику, уничтожая леса. В воздух выбрасывается большое количество угл. газа.

  2. Установившееся равновесие автотрофных и гетеротрофных процессов на Земле поддерживается благодаря способности экосистем и биосферы к саморегуляции. Сообщество организмов и физическая среда развиваются и функционируют как единое целое. Об этом свидетельствует состав атмосферы, аммиак, выделяемый организмами, поддерживает в воде, почве величину рН, необходимую для их жизнедеятельности. Без этого величина рН стала бы настолько низкой, что организмы не смогли бы в ней выжить. Экосистемы имеют кибернетическую природ.(искусство управления) и характеризуются развитыми информационными сетями, состоящими из потоков физических и химических сигналов, связывающих все части воедино. Такие низкоэнергетические сигналы, вызывающие высокоэнергетические реакции, очень распространены в природе. Например, каждый год миллионы людей гибнут от различных инфекций, вызываемых микропаразитами, имеющими малую долю от общего потока энергии в системе (0,01-0,1%). В растительных сообществах очень мелкие паразитические насекомые (низкоэнерг. сигналы) могут оказывать сильное управляющее действие на общий поток энергии, резко снижая продукцию органических веществ в растениях. Для поддержания равновесия, стабильности в экосистемах действуют гомеостатические механизмы (аналогия с сервомеханизмами в технике – устройства для управления с помощью обратной связи). Гомеостаз – способность популяции или экосистемы поддерживать устойчивое динамическое равновесие в изменяющихся условиях среды. В основе гомеостаза лежит принцип обратной связи. Примеры управляющих систем (субсистемы): микробное население, регулирующее накопление и высвобождение биогенных элементов, система «хищник-жертва» (волки-зайцы) также регулирует плотность популяций и хищника и жертвы. В отличие от созданных человеком кибернетических устройств, управляющие функции экосистемы диффузны и находятся внутри ее, а не направлены извне. Гомеостатические механизмы функционируют в определенных пределах, при превышении которых экосистема может погибнуть. Пример: урожайность в сельском хозяйстве часто сравнивают с количеством вносимых удобрений. Если их вносить слишком много, то в агроценозе происходят необратимые разрушения. В Средней Азии увлечение удобрениями привело в итоге к истощению, эрозии и засолению многих хлопковых полей. Углекислый газ, поступающий в атмосферу в результатет деятельности человека аккумулируется буферной карбонатной средой океана и автотрофами. Но всему есть предел и равновесие газов в атмосфере может измениться, приведя к катастрофическим последствиям на Земле.

  3. Стабильность экосистем способность возвращаться в исходное состояние при выведении из состояния равновесия. Определяется устойчивостью к внешним воздействиям. Бывает резистентной и упругой.

Резистентная способность сопротивляться нарушениям, поддерживая неизменными структуру и функцию. Упругая – способность быстро восстанавливаться после нарушения структуры. (Калифорнийский лес из секвойи устойчив к пожарам – высокая резистентная устойчивость. Если сгорит, то восстанавливается очень медленно или вообще нет. Заросли вереска быстро выгорают – низка рез., но быстро восстанавливаются – высокая упругая устойчивость).

Существование человека возможно лишь при сохранении регулирующих механизмов биосферы, т.е экологического равновесия. Это возможно при снижении уровня загрязнения окружающей среды и экономном использовании ее ресурсов.

Геосферные оболочки Земли

Наша планета имеет неоднородное строение и состоит из концентрических оболочек (геосфер) – внутренних и внешних. К внутренним относится ядро, мантия, а к внешним – литосфера (земная кора), гидросфера, атмосфера и биосфера.

Литосфера (от греч. литое - камень, сфера - шар) - верхняя "твёрдая" оболочка Земли, мощностью от 6 (под океанами) до 80 км (горные системы). Составляет около 1 % планеты по объёму.

Земная кора сложена горными породами: магматическими (более 70%, базальты, граниты, состоят из силикатов и алюмосиликатов), метаморфическими (17%, это породы преобразованные высокой температурой и давлением, мрамор, яшма), осадочными (более 12%).

Гидросфера:

- поверхностная гидросфера – воды постоянно или временно располагающиеся на земной поверхности (воды морей, океанов, озер, рек, водохранилищ, болот, ледников и т.д.).

- подземная гидросфера – сверху ограничена поверхностью земли, а нижнюю границу ее проследить невозможно, так как она глубоко проникает в толщу земной коры.

В целом гидросфера состоит из трех слоев:

  1. Фотосфера (сфера света) – верхний от уровня океана на глубину до 200 м. Слой пронизан светом, насыщен кислородом, в нем множество живых организмов;

  2. Дисфотосфера – от 200 до 800 м, в нем рассеянный свет, мало кислорода, основной источник питания – органические останки из верхнего слоя;

  3. Афотосфера – более 800 м – характерен полный мрак, высокое давление, температура на глубине 3 км ниже уровня моря одинакова в Мировом океане и равна +1,8оС. Очень мало живых существ.

По отношению к объему земного шара общий объем гидросферы не превышает 0,13%. Основную ее часть составляет Мировой океан (96,53%)на долю подземных вод приходится 1,69% от общего объема гидросферы, остальное – воды рек, озер, ледников. Более 98% всех водных ресурсов составляют соленые воды, на долю пресных вод приходится около 2% общего объема гидросферы. (основная часть пресных вод сосредоточена в ледниках, воды которых используются мало). На долю вод, пригодных для водоснабжения приходиться около 0,3% объема гидросферы.

Атмосфера – газовая оболочка Земли (составляет по массе около 9% от массы Земли). В ее состав входит (по массе) около 78% азота, 21% кислорода, от 0,2% в полярных широтах до 2,6% у экватора водяного пара, инертные газы, углекислый газ 0,034% (CO2), водород (H2), метан (CH4), оксиды азота и углерода.

Поскольку атмосфера является наружной оболочкой Земли, она "разграничивает" планету и космическое пространство, ослабляя ряд поступающих из Космоса излучений и сглаживая резкие колебания температуры в биосфере. Она является средой распространения микроорганизмов, семян, плодов, а также местообитанием многих насекомых, птиц и млекопитающих.

Атмосфера имеет неоднородную, слоистую структуру. Ее разделяют на 5 слоев:

  1. Тропосфера от 0 до 10 км (над полюсами) и до 16-18 км над экватором. Здесь формируется погода, происходит перемещение воздушных масс, трансграничный перенос загрязнений. 90 % атмосферы (по массе) сосредоточено в околоземном слое толщиной около 16 км. Тропосфера содержит практически весь водяной пар, при конденсации которого образуется облачность нижняя (до высоты 1 - 2 км), средняя (на высоте 2 - 4 км) и верхняя (6 - 10 км). Содержание водяных паров может колебаться от 0 % по объёму в сухом воздухе до почти 4 % в максимально влажном. При нормальном состоянии тропосферы ей присуще снижение температуры воздуха с градиентом 6,5 С на 1 км высоты, которое в значительной степени зависит от содержания паров воды и СО2. (верхняя граница тропопауза 220 К)

  2. Стратосфера от 10 до 55 км (температура растет и достигает 273 К до 50 км и остается таковой до 55 -стратопауза). В стратосфере расположен озоновый слой. Реально в атмосфере никакого "отдельного" слоя озона нет. Это лишь название достаточно широкой области, где концентрация озона максимальна. Пик содержания озона приходится на высоты 20 - 30 км (иногда выделяют диапазон 15 - 50 км) над уровнем моря. Озона в атмосфере около 410-7об %, т.е., если собрать весь озон в один слой, то при н.у 1 атм. и 273 С он будет иметь толщину всего лишь 0,3 см. Однако этого достаточно для защиты от УФ радиации от 290 до 220 нм и поглощения ИФ излучения. У поверхности Земли, где озон образуется преимущественно во время грозовых разрядов, его средняя концентрация почти в 10 раз ниже. В настоящее время значительное количество озона в околоземном слое атмосферы образуется как результат антропогенной деятельности и является компонентом фотохимического смога. Озон ядовит, сильный окислитель.

  3. Мезосфера от 55 до 80 км (температура понижается и в мезопаузе достигает 190 К)

  4. Термосфера (ионосфера) от 80 до 800 км (температура растет до 1000 К)

  5. Экзосфера от 800 до 2 – 3 тыс. км. Это область диссипации, т.е. когда атомы и ионы теряют притяжение и улетают в космическое пространство.

Атмосфера, литосфера, гидросфера тесно взаимодействуют между собой. Практически все поверхностные взаимодействия происходят в биосфере.





Структура и границы биосферы


Впервые термин «биосфера» был введен в науку австрийским геологом
Э. Зюссом в 1875 г., а уже в первой трети ХХ в. возникло новое направление в естествознании – учение о биосфере, основоположником которого является русский ученый В.И. Вернадский.

Биосфера – внешняя оболочка Земли. В нее входит часть атмосферы до высоты 25 – 30 км. – до озонового слоя, вся гидросфера, верхняя часть литосферы до глубины примерно 3 км. особенностью этих частей является то, что они населены живыми организмами, составляющими живое вещество планеты. Изучением биосферы занимается глобальная экология.

Практически максимальная высота над уровнем моря, на которой может существовать живой организм, ограничена уровнем, до которого сохраняются положительные температуры и могут жить хлорофиллосодержащие растения-продуценты (6200 м в Гималаях). Выше, до "линии снегов", обитают лишь пауки, ногохвостки и некоторые клещи, питающиеся зёрнами растительной пыльцы, спорами растений, микроорганизмами и другими органическими частицами, заносимыми ветром. Ещё выше живые организмы могут попадаться лишь случайно.

На высотах 7500 - 8000 м критически низкого для абсолютного большинства организмов значения достигает другой абиотический фактор - абсолютное атмосферное давление. Наиболее зависимы от величины давления птицы и летающие насекомые, преимущественно занимающие нижнюю зону (0 - 1000 м), хотя отдельные виды птиц (орлы, кондоры) могут постоянно жить и на высотах 4000 -5000 м. Вся толща Мирового океана по современным представлениям полностью занята жизнью.

Нижний предел существования активной жизни традиционно определяют дном океана (максимум 11022 м - глубина Марианской впадины) и глубиной литосферы, характеризующейся температурой ниже 100 С (около 6000 м, по данным сверхглубокого бурения на Кольском полуострове). В основном жизнь в литосфере распространена лишь на несколько метров вглубь, ограничиваясь почвенным слоем. Однако по отдельным трещинам и пещерам она распространяется на сотни метров, достигая глубин 3 000 - 4 000 м.

По Вернадскому, вещество биосферы разнородно по своему физико-химическому составу, а именно:

живое вещество как совокупность живых организмов;

косное вещество – образуемое без участия живых организмов (атмосфера, газы и вода, выделяемые при извержениях вулканов, горные породы и пр.);

биогенное вещество – непрерывный биогенный поток атомов живого вещества в косное вещество биосферы и обратно (рождаемое и перерабатываемое живыми организмами) (уголь, известняк, нефть);

биокосное вещество – косное вещество, преобразованное живыми организмами (почва, кора выветривания, поверхностные воды);

– радиоактивное вещество;

рассеянные атомы вещества земного и космического происхождения;

– вещество космического происхождения в форме метеоритов, космической пыли и др.
Круговорот веществ в природе

Основных круговоротов в природе два: большой (геологический) и малый (биогеохимический).

Большой обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли.

Его схема: «магматические породы – осадочные – метаморфические – магматические породы».

Расшифруем. Осадочные горные породы, образованные за счет выветривания горных пород, в подвижных зонах земной коры вновь погружаются в зону высоких температур и давлений. Там они переплавляются в магму – источник новых магматических пород. После поднятия этих пород на земную поверхность и действия процессов выветривания происходит их превращение в осадочные породы и т.д. Символ такого круговорота не круг, а спираль: каждый новый цикл круговорота не повторяет старый, а вносит что-то новое, приводящее в будущем к заметным переменам.

К большому круговороту относится и круговорот воды (500 тыс. км3) между сушей и океаном через атмосферу. Влага, испарившееся с поверхности океана (на это тратится 50% солнечной энергии), частью переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стока, а часть осадков выпадает на эту же водную поверхность океана. В биогеохимическом цикле и транспирации ее растениями весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается за 2 млн. лет.

Малый круговорот, в отличие от большого, совершается лишь в пределах биосферы. Сущность его в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения. Для жизни биосферы этот круговорот главный. Основным источником энергии круговорота является солнечная радиация, которая порождает фотосинтез (около 5% от этой энергии. Из 100% 45 - поглощается почвой, 22 – атмосферой, отражается 33-альбедо).

В экосистемах биосферы перенос вещества и энергии осуществляется посредством трофических цепей и называется биологический

Функции живого вещества биосферы


Вернадский писал: «на земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а потому более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом».

Живое вещество характеризуют определенные свойства:

При всем разнообразии живое вещество физико-химически едино, имеет одни и те же эволюционные корни. Иными словами, в природе нет такого вида который бы реагировал бы на некое физическое или химическое воздействие качественно иначе, чем организмы других видов. Существует лишь количественная разница в чувствительности. Поэтому закон физико-химического единства имеет принципиальное значение для человеческой практики: нет такого физического или химического агента, который был бы гибелен для одних организмов и абсолютно безвреден для других.

Биогеохимическим круговоротом обеспечиваются важнейшие функции живого вещества в биосфере:

  1. Газовая - основные газы биосферы Земли, азот и кислород, биогенного происхождения, как и все подземные газы – продукт разложения отмершей органики.

  2. Окислительно-восстановительная – организмы, обитающие в водоемах регулируют их кислородный режим создают условия для растворения или осаждения металлов (вольфрам, марганец, железо) и неметаллов (сера) с переменой валентностью.

  3. Концентрационная – организмы накапливают в своих телах многие химические элементы, среди которых на первом месте стоит углерод, а среди металлов – кальций, диатомовые водоросли являются концентраторами кремния, йода -ламинария.

  4. Биохимическая – размножение, рост и перемещение в пространстве живого вещества.

  5. Транспортная – перераспределение биогенных элементов в окружающей среде, изменение их концентраций под влиянием жизнедеятельности живых организмов..

  6. Средообразующая – живые организмы, объединяясь в устойчивые ассоциации способны в некоторых пределах влиять на микроклимат в пределах ареала.

  7. Биогеохимическая деятельность человека – использование для бытовых и хозяйственных нужд человека все большего количества химических веществ и элементов, в том числе таких концентраций углерода как нефть, уголь, природный газ и т.д.

Основная планетарная функция живого вещества – связывание и запасание солнечной энергии.

Учение Вернадского о ноосфере


Термин "ноосфера" ввел французский философ Ж. Леруа, а В.И. Вернадский развил данное понятие. Ноосфера – это новое, эволюционное состояние биосферы, при котором разумная деятельность человека становится решающим фактором ее развития.

Условия, необходимые для становления и существования ноосферы:

  1. Заселение человеком всей планеты. Это условие вполне выполнимо. На Земле действительно не осталось места, не подвергавшегося в той или иной степени воздействию человека.

  2. Резкое преобразование средств связи и обмена между странами. С помощью радио, телевидения, новых, современных средств связи (Интернет) мы моментально узнаем о событиях в любой точке земного шара.

  3. Усиление связей, в том числе политических, между всеми государствами Земли. Это условие можно считать если не выполненным, то выполняющимся. Возникла Организация Объединенных Наций, которая помимо участия в ряде локальных конфликтных ситуаций создала ряд специальных международных организаций для обеспечения сотрудничества различных государств в самых разнообразных областях.

  4. Преобладание геологической роли человека над другими геологическими процессами, протекающими в биосфере. Это условие можно также считать выполненным, хотя именно преобладание геологической роли человека в ряде случаев привело к тяжелым экологическим последствиям.

  5. Расширение границ биосферы и выход в Космос.

  6. Открытие новых источников энергии (энергия термоядерного синтеза). Это условие выполнено полностью.

  7. Равенство людей всех рас и религий. Это условие если и не реализовано, то, во всяком случае, достигается. Народы Африки, Южной Азии, прежде порабощенные, стали самостоятельными, начали формировать свои научные кадры, развивать свою промышленность. Почти во всех странах мира люди разных вероисповеданий равноправны.

  8. Увеличение роли народных масс в решении вопросов внешней и внутренней политики. Это условие соблюдается во всех странах с парламентской формой правления. Роль народных масс в жизни большинства людей, несомненно, возрастает.

  9. Свобода научной мысли и научного поиска от давления религиозных, философских и политических настроений и создание в общественном и государственном строе условий, благоприятных для свободной научной мысли. В большинстве развитых и развивающихся стран, например, в Индии, наука свободна от такого давления, а государственный и общественный строй создает для ее развития режим максимального благоприятствования.

  10. Подъем благосостояния трудящихся, создание реальной возможности не допустить недоедания, голода, нищеты, ослабление влияния болезней. Процесс улучшения условий жизни идет очень неравномерно. Положение с ослаблением влияния болезней достаточно сложно: если полностью искоренены такие страшные болезни, как черная оспа, малярия и т.п., то появились новые болезни, часто связанные с радиоактивным и химическим загрязнением среды: рак, СПИД, сердечно-сосудистые, аллергические болезни, болезни дыхательных путей и т.д.

  11. Разумное преобразование первичной природы Земли с целью сделать ее способной удовлетворить все материальные, эстетические и духовные потребности численно возрастающего населения. Первые шаги в направлении разумного преобразования природы, несомненно, начали осуществляться. Хотя это условие еще нельзя считать выполненным.

  12. Исключение войн из жизни общества. Это условие Вернадский считал чрезвычайно важным для создания и существования ноосферы. Оно еще не выполнено.

Таким образом, мы видим, что налицо почти все те конкретные признаки, на которые указывал В. И. Вернадский. Процесс перехода биосферы в ноосферу будет постепенным. Ноосфера – это качественно новая форма организованности во взаимодействии природы и общества. В последние годы под ноосферой понимается планетарное и космическое пространство (природная среда), которое преобразуется и управляется человеческим Разумом.

ЛЕКЦИЯ 1. Взаимодействие организма и среды обитания. Концепция экосистемы и представление о биосфере
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации