Экология и биосфера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Экология и биосфера

экология биосфера глобальный



Введение

Основы экологических представлений возникли у людей еще в глубокой древности. Природа представлялась им единым живым, одушевленным организмом. О зависимости растений от внешних условий хорошо знали уже первые земледельцы 10-15 тыс. лет назад. О том, что разные виды животных связаны с определенными условиями, что их численность зависит от урожая семян и плодов, которыми питаются животные, наверняка знали древние охотники уже 100-150 тыс. лет назад. Севооборот применяли в древнем Египте, древнем Китае и древней Индии 5 тысячелетий назад. Сложнейшая и экологически выверенная система земледелия была у индейцев майя в древней Америке.

Аристотель классифицировал животных по образу их жизни, а Теофраст писал о зависимости формы роста растений от почвы и климата. Плиний старший в своей многотомной «Философии природы» многие явления природы рассматривал с подлинно экологических позиций.

В средние века в Европе произошел откат человеческой мысли далеко назад, церковь явилась тормозом развития всех естественных наук. Однако великие географические открытия ХV и XVI веков заставили переосмыслить многие религиозные догматы, новая географическая и биологическая информация, полученная в этих экспедициях не умещалась в той системе мира, которую насаждала христианская религия.

В результате в начале 18 века экологические представления стали активно возрождаться в умах людей. К. Линней создал таксономическую систему животных и растений. Ж.Л. Бюффон (1707-1788) в своей «Естественной истории» проанализировал влияние климата на животные организмы, Ж.Б. Ламарк (1744-1829) выявил особую роль внешних условий в эволюции животных и растений, а Альфонс Де-Кандоль(1806-1895) в своей «Ботанической географии» описал влияние абиотических факторов на растительные организмы.

Огромную роль в развитии экологических идей сыграл немецкий ученый А. Гумбольдт (1769-1859), который в 1807 г. издал книгу «Идеи географии растений», в которой ввел ряд научных понятий, которые и сегодня используются экологами.

Важной вехой в развитии экологических представлений о природе явился выход знаменитой книги Ч.Дарвина(1809-1882) о происхождении видов путем естественного отбора. Это великое открытие в биологии явилось мощным толчком для развития экологических идей. Не случайно в 1866г., вскоре после выхода в свет учения Ч.Дарвина, Э. Геккель (1834-1919) предложил термин для новой науки - «экология», который впоследствии прижился, и именно его используют современные ученые для обозначения целой системы наук. 1866 г. следует считать годом рождения новой науки, которая через 100 лет превратилась в целое мировоззрение.

Э.Геккель определял экологию как «общую науку об отношениях организмов к окружающей среде, куда мы относим в широком смысле все условия существования. Они частично органической, частично неорганической природы; но как те, так и другие имеют весьма большое значение для форм организмов, так как они принуждают приспосабливаться к себе». По Геккелю, экология представляет собой науку о «домашнем быте» живых организмов, она призвана исследовать «все те запутанные взаимоотношения, которые Дарвин условно обозначил как борьбу за существование».

Сейчас экология - это наука о взаимоотношениях между организмами и средой их обитания. Такое определение дал классик современной экологии Ю. Одум в 1975 году. Как наука, экология сформировалась как раздел биологии примерно к 1900 г. Чем же занимается экология? Есть очень много подразделений экологии, здесь дана упрощенная схема.

Один из крупных блоков экологии - биоэкология, наука о взаимодействии организмов с окружающей средой. Один из ее подразделов - аут-экология, изучающая взаимодействие видов с окружающей средой. Аут-экология изучает ареал распространения вида, его экологическую нишу, то есть в каких пределах температуры, влажности, живет вид, чем он питается, где размножается, какие есть влияющие на его жизнь экологические факторы - паразиты, хищники, жертвы, какова динамика его популяций, как вид адаптируется к окружающей среде и т.д.

Другой раздел - син-экология, изучающая закономерности образования сообществ организмов, а также взаимодействие этих сообществ с окружающей средой. Синэкология изучает проблемы объединения разных видов в общую экосистему- биогеоценоз, пищевые цепи, как по этим цепям движется энергия, трофические пирамиды (как вещество и энергия движется по цепям), потоки энергии и круговороты веществ в экосистемах.

Второй крупный блок - социоэкология, изучающая взаимодействие человеческого общества с окружающей средой. Она тоже делится на две части. Первая - экология человека, изучающая влияние окружающей среды на здоровье и жизнедеятельность человека как биологического вида. Вторая часть - социо- или гео-экология, изучающая взаимодействие цивилизаций, создаваемых ею систем, с окружающей средой, загрязнение среды, деградацию экосистем, экологические кризисы, проблемы устойчивого развития и т.д. Третий блок - прикладная экология, занимающаяся созданием техники, технологий и методов для: минимизации воздействия человека на среду, контроля за ее состоянием, управления средой, охраны природы и рационального природопользования, систем жизнеобеспечения и др.

Кроме перечисленных выше направлений есть еще масса псевдоэкологий (экология культуры, мышления, разума, стеклопакетов и т.д. и т.п.). Они прежде всего служат для привлечения денег, клиентов и прочих благ. Экология - «несчастная» наука, стала она несчастной лет 20 назад, когда политики, журналисты и общественные деятели ее очень полюбили и стали использовать этот термин вне всякой связи с его научным содержанием.



1.Биосфера

Особую роль в становлении и развитии экологии сыграл великий русский ученый В.И. Вернадский - создатель учения о биосфере. Вернадский показал, что жизнь на земле - явление общепланетарное, что биосфера - это вещественно-энергетическая система, обеспечивающая биологический круговорот химических элементов и эволюцию всех живых организмов, включая и человека.

Первые представления о биосфере складывались уже в начале 18 в. Уже Ж.Б. Ламарк (1802) считал, что «все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов». В 1826 г. Гумбольдт ввел понятие «жизненная среда», понимая под этим оболочку Земли, куда включал атмосферные, морские и континентальные процессы и весь органический мир. Так в науке формировалось понятие пространства, охватываемого жизнью и ей же создаваемого. Геолог Э. Зюсс в 1875г. назвал это пространство «биосферой». Впоследствии понятие биосферы разрабатывалось разными исследователями. Наиболее полно концепция биосферы разработана в трудах В.И. Вернадского (1863-1945). В 1926 г. вышла его работа «Биосфера», в которой он изложил свое учение о «живом веществе» и его геологических функциях. Суть его учения заключается в следующем:

биосфера - это целостная организованная система живого вещества;

все явления в ней - часть единого механизма биосферы;

живое вещество - это то звено, которое соединяет историю химических элементов с эволюцией организмов и человека и с эволюцией всей биосферы.

Биосфера сыграла определяющую роль в возникновении атмосферы, гидросферы и литосферы. Биосфера представляет собой единство живого и минеральных элементов, вовлеченных в сферу жизни.

Решающее значение в истории образования биосферы, а также формирования ею литосферы, гидросферы и атмосферы имело появление на Земле растений, которые в процессе фотосинтеза образуют органические вещества из и под действием солнечного света. В результате фотосинтеза ежегодно образуется 100 млрд. тонн органического вещества. Именно благодаря растениям на Земле получили развитие различные виды животных, и осуществляется обмен веществом и энергией между живой и неживой природой.

Органическая жизнь сосредоточена в литосфере (верхняя часть твердой поверхности земной коры), в гидросфере (моря, реки, озера и Мировой океан), а также в тропосфере (нижние слои атмосферы).

Нижняя граница биосферы опускается на 2-3 км на суше и на 1-2 км ниже дна океана, а верхней служит так называемый озоновый экран на высоте 20-25 км, выше которого жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца убивает все живое. Человеческое общество с его производством и созданной им искусственной средой - техносферой также является частью биосферы

Рис.

Живое вещество нашей планеты существует в виде огромного множества видов живых организмов разнообразных форм и размеров. В настоящее время общаябиота Земли насчитывает до 10млн. видов, из которых более половины приходится на членистоногих, в основном -- насекомых. Земля -- это планета членистоногих. Суммарная биомасса живых организмов Земли оценивается примерно в 2,4?10¹² т, причем основная ее часть (99%) образована наземными растениями. Биомасса животных и биомасса живых организмов океана ничтожно мала по сравнению с биомассой наземных растений.

Таблица. Общая биомасса организмов Земли

Среда	Организмы	Масса, 1012 т	%
Суша	Растения	2,4	99,04
	Животные	0,02	0,825
Океаны	Растения	0,0002	0,008
	Животные	0,003	0,124
Суммарный	Общая биомасса	2,4232	100

В процессе развития биосферы выделяют 3 этапа:

Биосфера, где человек воздействовал на природу незначительно. Возраст человека как биологического вида -- приблизительно 1,5 млн. лет.

Биотехносфера. Современная биосфера - это результат длительной эволюции органического мира и неживой природы. Человеческое общество - это один из этапов развития жизни на Земле. Деятельность человека следует рассматривать как составную часть биосферы. Техника - это качественно новый этап ее развития. Возникает вопрос -- каким путем пойдет развитие человека и биосферы в будущем, какими средствами избежать необратимых последствий в природе. Предотвратить изменения невозможно. Очевидно, что следует научиться управлять процессами взаимодействия человека и природы так, чтобы они были взаимовыгодны.

Ноосфера -- сфера разума. Это понятие ввел Пьер Тийяр де Шарден в 1925г., а обосновал Вернадский в 1944 г. Это высшая стадия развития биосферы, когда разумная деятельность человека становится главным, определяющим фактором развития. В ноосфере человек становится крупной геологической силой, он перестраивает своим трудом и мыслью область своей жизни. Человек неразрывно связан с биосферой, уйти из нее не может. Его существованиеесть функция биосферы, которую он неизбежно изменяет.

Основой динамического равновесия и устойчивости биосферы являются кругооборот веществ и превращение энергии. Вернадский выделяет в биосфере несколько глубоко отличных и в то же время генетически связанных частей: Живое вещество - живые организмы. Биогенное вещество - продукты жизнедеятельности живых организмов (каменный уголь, нефть и т.п.). Косное вещество - горные породы (минералы, глины...).Биокосное вещество - продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами (почвы, ил, природные воды). А также радиоактивные вещества, рассеянные химические элементы и вещество космического происхождения.

2.Экологические факторы

Среда, окружающая живые организмы, т.е. материальные тела и явления, с которыми организм находится в прямых или косвенных отношениях, характеризуется огромным разнообразием. Это многообразие элементов, явлений, условий рассматриваются в качестве экологических факторов.

Экологический фактор - это любое условие среды, способное оказывать прямое или косвенное воздействие на живые организмы хотя бы на протяжении одной из фаз индивидуального развития. Организм, в свою очередь, реагирует на экологический фактор специфичными приспособительными реакциями. Экологические факторы подразделяются на две категории: факторы неживой природы (абиотические) и факторы живой природы (биотические).

Абиотические факторы. Абиотические факторы могут быть классифицированы следующим образом:

· климатические: солнечный свет, температура, влага, скорость движения воздуха, давление;

· химические: газовый состав воздуха, солевой состав воды, концентрация, кислотность и состав почвенных растворов;

· эдафогенные, или почвенные: механический состав почв, влагоемкость, плотность, воздухопроницаемость;

· орографические (греч.гора): высота над уровнем моря, рельеф, экспозиция склона.

Биотические факторы. Под биотическими факторами понимают совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на другие. Они могут быть, в свою очередь, подразделены на

· фитогенные: влияние растительных организмов;

· зоогенные: влияние животных организмов;

· микробиогенные: вирусы, простейшие, бактерии;

· антропогенные: деятельность человека.

Растения создают первичное органическое вещество на Земле и, следовательно, представляют собой пищу для всех иных живых организмов. Любой вид животных обладает четкой избирательностью к составу пищи. Среди животных есть виды, которые могут питаться одним видом растений или животных (монофаги) и многими видами (полифаги).

Типы взаимоотношений между живыми организмами весьма разнообразны. Можно назвать некоторые из них.

Классификация биотических взаимодействий:

Нейтрализм - ни одна популяция не влияет на другую.

Конкуренция - это использование ресурсов (пищи, воды, света, пространства) одним организмом, который тем самым уменьшает доступность этого ресурса для другого организма. Конкуренция бывает внутривидовая и межвидовая. Если численность популяции невелика, то внутривидовая конкуренция выражена слабо и ресурсы имеются в изобилии. При высокой плотности популяции интенсивная внутривидовая конкуренция снижает наличие ресурсов до уровня, сдерживающего дальнейший рост, тем самым регулируется численность популяции. Межвидовая конкуренция - взаимодействие между популяциями разных видов, которое неблагоприятно сказывается на их росте и выживаемости. При завозе в Британию из Северной Америки каролинской белки уменьшилась численность обыкновенной белки, т.к. каролинская белка оказалась более конкурентоспособной.

Паразитизм - один организм (паразит) живёт за счёт питания тканями или соками другого организма (хозяина), тесно связан в своём жизненном цикле. Паразитов различают по месту обитания:

* находятся на поверхности хозяина. Блохи, вши, клещи - животные. Тля, мучнистая роса - растения. У паразита имеются специальные приспособления (крючки, присоски и т.п.)

* внутри хозяина. Вирусы, бактерии, примитивные грибы - растения. Глисты - животные. Высокая плодовитость. Не приводят к гибели хозяина, но угнетают процессы жизнедеятельности

Хищничество - поедание одного организма (жертвы) другим организмом (хищником). Хищники могут поедать травоядных животных, а также слабых хищников. Хищники обладают широким спектром питания, легко переключаются с одной добычи на другую, более доступную. Хищники часто нападают на слабые жертвы. Норка уничтожает больных и старых ондатр, а на взрослых особей не нападает. В экосистемах поддерживается экологическое равновесие между популяциями жертва-хищник.

Симбиоз - сожительство двух организмов разных видов, при котором организмы приносят друг другу пользу. По степени партнерства симбиоз бывает:

Комменсализм - один организм получает пользу за счет другого, не нанося ему вреда. Рак - актиния. Актиния прикрепляется к раковине и питается остатками пищи.

Мутуализм - оба организма получают пользу, при этом они не могут существовать друг без друга. Лишайник - гриб+ водоросль. Гриб снабжает водоросль минеральными веществами, а водоросль гриб -- органическими.

Биотическая структура экосистем

Жизнь распространена по земной поверхности крайне неравномерно и в различных природных условиях принимает вид относительно независимых комплексов - биогеоценозов или экосистем. Живая часть биогеоценоза носит название биоценоза.

Экосистема - это совокупность совместно обитающих разных видов организмов и условий их существования, находящихся в закономерной взаимосвязи друг с другом.

Рис.

Термин «экосистема» предложен в 1935 году английским экологом Тексли.Самая большая экосистема -биосфера Земли, далее по уменьшению: суша, океан, тундра, тайга, лес, озеро, пень от дерева, горшок с цветами.Все экосистемы взаимосвязаны и взаимозависимы. Люди со своими культурными растениями и домашними животными образуют экосистему человека, которая взаимодействует со всеми другими экосистемами планеты.

Несмотря на громадное разнообразие экосистем -- от тропических лесов до пустынь, леса, болота, озера, по мнению экологов им свойственна одинаковая биотическая структура. Все экосистемы включают одни и те же основные категории организмов, взаимодействующих друг с другом, стереотипным образом. Это следующие категории: зелёные растения, консументы, детритофаги.

Экосистема выполняет свои функции благодаря многосторонним трофико-метаболическим (т.е. обменным) связям. Все живые организмы связаны между собой энергетическими отношениями, поскольку являются объектами питания других организмов. Через экосистему постоянно проходят потоки энергии и вещества. Энергия солнца усваивается зелеными растениями и передается по трофическим цепям животным, которые расходуют ее на совершение работы и в конечном итоге рассеивают в виде тепла. Растения извлекают минеральные вещества из почвы, воды и воздуха (углерод в виде СО₂) и используют их для синтеза органических соединений. Далее эти вещества по трофическим цепям передаются другим участникам экосистемы, пока с помощью редуцентов вновь не возвращаются в окружающую среду. Таким образом, в экосистемах постоянно происходит круговорот химических элементов, сопряженный с энергетическими потоками, проходящими через экосистему.

Рис.3



3.Трофические цепи и трофические уровни

Живые организмы, входящие в состав биоценоза, неодинаковы с точки зрения специфики ассимиляции ими вещества и энергии из окружающей среды. Поскольку растения не нуждаются в других живых посредниках для строительства своего организма, их называют автотрофами (самопитающимися). Поскольку они, используя энергию солнечного света, создают органическое вещество из неорганического, их называют производителями, или продуцентами. Организмы, которые не могут строить собственное вещество из минеральных компонентов, вынуждены использовать созданное автотрофами, употребляя их в пищу, поэтому их называют гетеротрофами или консументами (потребителями).

Травоядные животные -- консументы1-го порядка поедают растения - продуценты, первичные хищники - консументы 2-го порядка поедают травоядных, вторичные хищники - консументы 3-го порядка поедают хищников - консументов 2-го порядка и консументов 1-го порядка. Таким образом, создаются пищевые цепи из продуцентов и консументов. Поскольку один и тот же организм может питаться сразу многими другими видами и в то же время сам служит пищей многим другим, то в экосистеме из отдельных трофических цепей формируются сложные трофические сети. И продуценты и консументы на разных этапах своего жизненного цикла смыкаются с редуцентами, или деструкторами (т.е. разрушителями): микроорганизмами, бактериями, грибами. Редуценты разлагают выделения животных, микроорганизмов, мертвые организмы и минерализуют их до воды, СО₂ и минеральных веществ. Таким образом, в сообществе живых организмов от звена к звену циркулируют питательные вещества и энергия.



Рис.

Несмотря на многообразие пищевых сетей, они все соответствуют общей схеме: от зелёных растений к первичнымконсументам, от них к вторичным консументам и т.д. и к детритофагам. На последнем месте всегда стоят детритофаги, они замыкают пищевую цепь. Трофический уровень -- это совокупность организмов, занимающих определённое место в пищевой сети.

I трофический уровень - всегда растения,

II трофический уровень -первичныеконсументы

III трофический уровень - вторичные консументы и т.д.

Детритофаги могут находиться на II и выше трофическом уровне.

Обычно в экосистеме насчитывается 3-4трофических уровня. Это объясняется тем, что значительная часть потребляемой пищи тратится на энергию (90 - 99 %), поэтому масса каждого трофического уровня меньше предыдущего. На формирование тела организма идет относительно немного (1-10%).Соотношение между растениями, консументами,детритофагами выражают в виде трофических пирамид.

Пирамида биомассы - показывает соотношение биомасс различных организмов на трофических уровнях.

Пирамида энергии -- показывает поток энергии через экосистему.

Очевидно, что существование большего числа трофических уровней невозможно, из-за быстрого приближения биомассы к нулю.



4.Принципы функционирования экосистем

1. Получение ресурсов и избавление от отходов происходят в рамках кругооборота всех элементов. Мы видим, как четко взаимодействуют растения, консументы и детритофаги, поглощая и выделяя различные вещества. Органика и кислород, образуемые при фотосинтезе в растениях, нужны консументам для питания и дыхания. А выделяемыйконсументами СО и минеральные вещества необходимы растениям.

2. Экосистемы существуют за счёт не загрязняющей среду и практически вечной солнечной энергии, количество которой относительно постоянно и избыточно.

3. Чем больше биомасса популяции, тем ниже занимаемый ею трофический уровень.

Лимитирующие факторы. В 1840 г. химик - органик Ю. Либих (1803-1873) выдвинул теорию минерального питания растений, в которой утверждается, что развитие растений зависит не только от тех химических элементов или веществ (факторов), которые присутствуют в достаточном для организма количестве, но и от тех, которых не хватает. Например, избыток калия или азота не заменяет недостатка бора или молибдена, которые обычно присутствуют в почве в малых количествах. Либих сформулировал «закон минимума» (называемый также «законом Либиха»), согласно которому необходимо увеличивать содержание в почве минерального вещества, находящегося в минимальном количестве. Разумеется, закон Либиха справедлив не только для растений.

Спустя 70 лет американский ученый В.Шелфорд доказал, что не только вещество или какой-либо другой фактор (например, температура, давление и т.п.), присутствующее в минимуме, может определять урожай или жизнеспособность организма, но и избыток какого-то элемента может приводить к нежелательным последствиям. Например, многие животные и растения могут поддерживать жизнедеятельность лишь в некотором узком диапазоне рН. Согласно В.Шелфорду, факторы, присутствующие как в избытке, так и в недостатке по отношению к оптимальным требованиям организма, называются лимитирующими, а соответствующее правило получило название «закона лимитирующего фактора», или «закона толерантности».

Рис.

5.Биотический потенциал и сопротивление среды

Сохранение или рост численности популяции зависит не только от скорости размножения (число новорожденных, отложенных яиц, произведённых семян или спор в единицу времени). Гораздо важнее количество особей потомства, доживших до взрослого, репродуктивного состояния. Высокий коэффициент размножения при высокой ювенильной смертности не может существенно увеличить численность популяции.

Например, рыбы вымётывают тысячи или миллионы икринок, но лишь ничтожно малая часть выживает и превращается во взрослое животное. Растения рассеивают огромное количество семян.

И напротив, размер популяции может расти за счёт увеличения темпов пополнения при малой скорости размножения. Это относится к людям (рождаемость низкая, но детская смертность низкая, поэтому практически все дети доживают до взрослого возраста).

Другим важным фактором, ведущим к росту популяции, относится способность животных мигрировать, а семян рассеиваться на новых территориях, приспосабливаться к новым местам обитания и заселять их. Немаловажна также устойчивость к неблагоприятным условиям среды и болезням.

Биотический потенциал -- это совокупность факторов, способствующих увеличению численности вида.

У разных видов составляющие биотического потенциала неодинаковы, но они имеют одно общее свойство - стремительное увеличение численности при благоприятных условиях среды. В естественных условиях такое наблюдается редко. Вероятность того, что все условия окажутся благоприятными, очень низка. Обычно один или несколько факторов (температура, влажность, солёность, хищники, паразиты, нехватка пищи) становятся лимитирующими. Сочетание всех таких «ограничителей» называют сопротивлением среды. Сильнее всего они действуют на молодых особей, а это снижает темпы пополнения. При более суровых условиях гибнет часть взрослых особей. Следовательно, рост, снижение численности и постоянство популяции зависят от соотношения между биотическим потенциалом и сопротивлением среды.



Рис.

Изменение численности популяции -- это результат нарушения равновесия между биотическим потенциалом и сопротивлением окружающей её среды. Это равновесие является динамическим, т.е. непрерывно регулирующимся, т.к. факторы сопротивления среды редко подолгу остаются неизменными. Например: в один год численность популяции снизилась из-за засухи, а в следующий год полностью восстановилась при обильных дождях. Подобные колебания продолжаются неопределённо долго. Равновесие - понятие относительное. Иногда амплитуда отклонений мала, иногда значительна, но пока сократившаяся популяция способна восстановить прежнюю численность, она существует.

Равновесие в природных системах зависит от плотности популяции, т.е. числа особей на единицу площади. Если плотность популяции растёт - сопротивление среды увеличивается, в связи с чем увеличивается смертность и рост численности прекращается. И наоборот, с уменьшением плотности популяции -- сопротивление среды ослабевает и восстанавливается прежняя численность.

Воздействие человека на природу часто приводит к вымиранию популяции, т.к. не зависит от плотности популяции. Разрушение экосистем, загрязнение окружающей среды одинаково влияют на популяции как с низкой, так и высокой плотностью.

Кроме этого, биотический потенциал зависит от критической численности популяции. Если численность популяции (оленей, птиц или рыб) падает ниже этой величины, гарантирующей воспроизводство, биотический потенциал стремится к нулю и вымирание неизбежно.

6.Динамика экосистем

Гомеостаз - это состояние подвижно-стабильного равновесия экосистемы. Равновесие в экосистемах поддерживается процессами с обратной связью.

Рассмотрим простейшую экосистему типа хищник -- жертва (рысь -- заяц). Когда численность зайцев невелика, каждый из них может найти достаточно пищи и удобных укрытий для себя и своих детёнышей. Т.е. сопротивление среды невысоко, и численность зайцев увеличивается несмотря на присутствие хищника. Изобилие зайцев облегчает рыси охоту и выкармливание детёнышей. В результате численность хищника также возрастает. В этом проявляется обратная положительная связь. Размножившиеся рыси усиленно поедают зайцев -- т.е. сопротивление среды для зайцев усиливается. В результате численность зайцев снижается. Охотиться хищникам становится труднее, они испытывают нехватку пищи и их численность падает. В этом проявляется обратная отрицательная связь, которая компенсирует отклонения и возвращает экосистему в исходное состояние. Подобные колебания происходят периодически вокруг некого среднего уровня, и кривая численности хищника всегда запаздывает по фазе от кривой численности жертвы.



Рис.

При некоторых условиях обратная связь может быть нарушена. Например, на зайцев стал охотиться другой хищник, или среди зайцев возникла инфекционная болезнь. При этом происходит нарушение сбалансированности системы, которое может быть обратимым или необратимым. Роль помех могут играть и абиотические факторы. Засуха снижает продуктивность растений и ограничивает пищу для зайцев, что немедленно отразиться на хищнике.

При появлении помех в системе «заяц-рысь» станет меньше и зайцев и рысей. Стабильность системы в целом не нарушается, но объём трофических уровней изменится. При этом новый уровень стабильности опять будет обеспечиваться механизмами обратной связи.

Понятно, что давление помех не может быть беспредельным. При массовой гибели зайцев экосистема за счёт обратной отрицательной связи не может компенсировать отклонения. Тогда данная система прекратит своё существование.

Та область, в пределах которой механизмы отрицательной обратной связи способны сохранить устойчивость системы, хотя и в изменённом виде, называют гомеостатическим плато.



Рис.

Экосистемы тем стабильнее во времени и пространстве, чем они сложнее, т.е. чем больше видов организмов и пищевых связей.

7.Развитие экосистем. Сукцессии

В живой природе не бывает застывших, статичных процессов. В экосистемах постоянно происходят те или иные изменения. Одно из основных свойств экосистем - это их динамизм.

Изменения экосистем происходят под воздействием внешних и внутренних факторов. В качестве внешних факторов могут выступать климатические и геологические изменения. Это глобальные изменения, которые происходят в течение длительных промежутков времени.

Например, время ледникового и послеледникового периодов изменило характеристики экосистемы Средней Европы. При максимальном развитии ледника Средняя Европа представляла собой тундру с карликовыми ивами, а фауна состояла из мамонтов, волосатых носорогов и мелких грызунов, таких как лемминги. Наступившее затем потепление вновь изменило облик экосистемы материка.

Внутренние факторы, вызывающие изменения экосистем обусловлены воздействием процессов, протекающих внутри экосистемы. Эти изменения называют развитием экосистемы или экологической сукцессией. Сукцессия -- это процесс упорядоченного развития экосистемы во времени, связанный с изменением видовой структуры биоценоза и протекающих в биоценозе процессов. В результате этих процессов может появиться биоценоз, отличающийся от предшествующего новым составом организмов, иной продуктивностью и другой трофической структурой.

Кульминацией сукцессии является возникновение стабильной экосистемы, в которой на единицу поступающего потока энергии приходится продуцирование максимальной биомассы и такое количество межвидовых взаимодействий, которое приводит к максимальной трансформации вещества в биотическом круговороте. Это состояние называется климаксом экосистемы. В этом состоянии экосистема имеет хорошо сбалансированный набор видов, устойчивые трофические связи и сбалансированный круговорот вещества.

Как правило, такой устойчивый биоценоз образуется в результате последовательной смены промежуточных стадий, которые, находясь не в равновесном состоянии быстро сменяют одна другую. Эта цепь сменяющихся биоценозов называется сукцессионным рядом.

Классическим примером таких рядов является образование торфяного болота по мере зарастания озера или появление еловых лесов на месте вырубок или после лесных пожаров. Смена растительных сообществ в экосистеме происходит в этом случае по следующей схеме: травостой - кустарник - лиственный лес - смешанный лес - еловый лес.

8.Экологическая ниша

Любой живой организм адаптирован к определенным условиям окружающей среды. Требования того или иного организма к факторам среды обуславливают границы его распространения (ареал) и место, занимаемое в экосистеме. Совокупность множества параметров среды, определяющих условия существования того или иного вида и его функциональных характеристик (преобразование им вещества и энергии, обмен информацией со средой и ссебе подобными и др.) представляет собой экологическую нишу. Таким образом, экологическая ниша включает не только положение вида в пространстве, но и его функциональную роль в сообществе (например, трофический уровень) и его положение относительно абиотических факторов (температура, влажность и т.п.). Определить экологическую нишу какого-либо вида, по образному выражению, означает сказать: где он живет, как он живет, кого он ест и кто его ест. Ниша -- это общая сумма приспособлений вида в целом, характеристика его возможностей при освоении окружающей среды.

На первый взгляд кажется, что животные должны конкурировать друг с другом за пищу и убежища. Однако это происходит редко, т.к. они занимают разные экологические ниши. Например, и мухоловки, и летучие мыши ловят мошек, но в разное время -- днём и ночью. Жираф поедает листья с верхушек деревьев и не конкурирует с другими травоядными.

У каждого вида животных своя ниша, что сводит к минимуму конкуренцию с другими видами. Поэтому в сбалансированной экосистеме присутствие одного вида обычно не угрожает другому.

Адаптация к разным нишам связана с действием закона лимитирующего фактора. Пытаясь использовать ресурсы за пределами своей ниши животное сталкивается со стрессом, т.е. с ростом сопротивления среды. Иными словами, в собственной нише его конкурентоспособность велика, а вне её значительно ослабевает или пропадает вовсе.

Адаптация животных к определённым нишам заняла миллионы лет и протекала в каждой экосистеме по-своему. Ввезённые из других экосистем виды могут вызвать вымирание местных именно в результате успешной конкуренции за их ниши.

9. Антропогенный фактор и глобальные экологические проблемы

Человек появился в ходе эволюции биосферы. Он - ее элемент. Все необходимое для жизни человек получает из биосферы. Туда же он сбрасывает бытовые и промышленные отходы. Долгое время биосфера справлялась с теми нарушениями, которые человек вносил в ее деятельность и восстанавливала равновесие. В настоящее время вмешательство человека в биосферу перевалило за критическую отметку, и природа уже неспособна выдерживать напор преобразующей деятельности человека. Это приводит к формированию глобального экологического кризиса, сопровождающегося обострением так называемых глобальных экологических проблем, к которым относятся проблема народонаселения («демографический взрыв»), изменение состава атмосферы и климата, изменение состояния водных систем, истощение природных ресурсов. Рассмотрим эти проблемы подробнее.

Рис.

Рост народонаселения. Сейчас на Земле - 6,7 млрд. человек. В 20-м веке темп роста народонаселения резко увеличился и только за последние 40 лет человечество выросло более чем в два раза. Если рассматривать темы роста человечества за всю его историю, то четко прослеживается экспоненциальный характер зависимости численности населения от времени. В настоящее время появились тенденции к сокращению темпа роста населения (пунктирная кривая), однако он все еще продолжает оставаться высоким. По прогнозам демографов, к 2025 г. на Земле будет от 7,6 до 9,4 млрд. человек. Основная доля прироста населения приходится и будет приходиться на развивающиеся страны. Такой рост населения приведет к еще большему давлению человечества на окружающую среду и, по-видимому, еще больше обострит существующие на сегодняшний день экологические проблемы. У всех живых организмов существуют пределы роста численности, обусловленные т.н. экологической емкостью территорий, и человек не является исключением. Каковы эти пределы для человека? К настоящему времени разработаны ресурсная и биосферная модели мировой системы. По ресурсной модели население Земли не должно превышать 7,0 -7,5 млрд. человек, а по биосферной - 10 млрд. Но при этом мы должны потреблять не более 1% биологической продукции биосферы, а доля нарушенных экосистем не должна превышать 20%. Только в таких условиях биосфера сможет самовосстанавливаться и поддерживать равновесное состояние. Сейчас же мы потребляем более 10% ресурсов, а процент нарушенных экосистем достигает 60.

Изменение состава атмосферы. На первом месте среди загрязнителей атмосферы стоит энергетика (80%). Сегодня главный производитель энергии - теплоэлектростанции, их доля в общем производстве энергии составляет около 63%. Доля ГЭС составляет около 20%, доля АЭС - около 17%. Существенную роль в загрязнении атмосферы играет транспорт и выбросы промышленных предприятий. Загрязнение атмосферы, в свою очередь порождает такие проблемы, как парниковый эффект и потепление климата, истощение озонового слоя, закисление природных сред.

Парниковый эффект. Ежегодно в атмосферу выбрасывается 1,5 млрд. т аэрозолей (пыль, дым, туман), миллиарды тонн СО₂ и СО. Углекислый газ пропускает к Земле солнечное излучение, но препятствует обратному излучению тепла в космическое пространство. Результат - глобальное потепление. За последние 100 лет средняя температура поднялась на 0,5 - 0,6^оС. Это приводит к усилению процессов опустынивания и повышению уровня Мирового океана.

Закисление природных сред. Выбрасываемые в атмосферу диоксиды серы и азота доокисляются в атмосфере и, растворяясь в воде, образуют серную и азотную кислоты, выпадая затем на землю с дождем, снегом, туманом. Кислотные дожди губительны для растений, лесов и водоемов. Попадая на почву, они вызывают повышение ее кислотности.

Истощение озонового слоя. Озоновый слой защищает биосферу от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца. В последние годы наблюдается циклический процесс снижения концентрации озона в приполярных областях. Это явление получило название «озоновых дыр». Главными «виновниками» разрушения озонового слоя считаются хлорфторуглероды, которые используются в холодильной промышленности (фреон) и в производстве аэрозолей. Они разлагаются с выделением атомов хлора, которые ускоряют превращение озона в молекулярный кислород О₂.

Истощение ресурсов. На протяжении последних 50 лет наблюдается уменьшение площади лесов на 1-2% ежегодно, а запоследние 200 лет их количество уменьшилось вдвое. Особенно быстро идет разрушение тропических лесов, в которых сосредоточено до 60% существующих видов растений и животных. Этот процесс чрезвычайно опасен еще и потому, что тропические леса Амазонки, Юго-Восточной Азии, а также леса Сибири являются легкими планеты - настолько велик их вклад в образование атмосферного кислорода.

Истощение грозит и водным ресурсам планеты. Потребление воды постоянно растет, однако использование и охрана водных ресурсов далеки от оптимальных решений. Так, большой отбор воды на орошение из рек Средней Азии привел к катастрофе Аральского моря. Соль со дна высохшего моря разносится ветром на сотни километров, вызывая засоление почв. За последние годы высохли сотни естественных водоемов Приаралья. Подобные проблемы существуют и на других территориях. Беспокойство вызывает загрязнение водоемов сточными водами - отходами промышленных предприятий. Из-за аварий танкеров и нефтепроводов в окружающую среду ежегодно попадает более 5 млн. тонн нефти. Нефтяные пленки, кроме прямого вреда, замедляют газоообмен между гидросферой и атмосферой, что приводит к гибели жизни в океане.

Несовершенство сельскохозяйственной технологии ведет к сокращению площадей плодородных земель. Распашка обширных степных земель в СССР и США стала причиной пыльных бурь и гибели миллионов гектаров плодородных земель.

В этих условиях биосфера уже практически утратила свои компенсационные свойства и в глобальном масштабе уже не успевает восстанавливать равновесие: пропадают регулирующие ее обратные связи, разрываются биосферные круговороты веществ. Выход из экологического кризиса видится в эволюционной реализации понятия «ноосфера», введенного В.И. Вернадским для обозначения биосферы, преобразованной трудом человека и измененной научной мыслью. Главные компоненты ноосферы - это человечество, производство и Природа, составляющие единую систему, так как человечество не может отказаться от научно-технического прогресса и вернуться в первобытное состояние. Рано или поздно в формирующейся ноосфере должны возникнуть новые регулирующие ее обратные связи, способные стабилизировать всю глобальную систему на новом уровне. Общий подход к решению современных экологических проблем - достижение сбалансированного развития человечества путем реализации программ по предотвращению экологических катастроф. К таким программам прежде всего относится глобальное сдерживание роста населения, развитие новых малоотходных технологий производства, переход на новые, более «чистые» источники энергии и т.п.

Сохранение биосферы - условие абсолютно необходимое, но уже, на данном этапе развития кризиса, недостаточное. Преодоление глобального экологического кризиса чисто технологическими и техническими средствами уже невозможно. Малоотходные технологии необходимы, но их тоже уже недостаточно. И нужно отдавать себе отчет, что достаточных условий человечество пока не знает! Вероятнее всего, что в условиях нынешних технологий и цивилизационных норм, мы их сформулировать просто не можем. В ближайшем будущем человечество столкнется с выбором: либо сознательно и разумно ограничить свой прирост и резко сократить производство с полным переходом на возобновимые «чистые» источники энергии (энергия солнца, не трансформированная биосферой, как, например, уголь и нефть) и сохранить цивилизацию, либо продолжать свою стратегию на потребление остатков невозобновимых ресурсов, что неизбежно ведет к скорой глобальной катастрофе и гибели цивилизации. Сегодняшняя глобальная задача человечества - сохранить себя в биосфере. Если это удастся и человечество вместе с биосферой войдет в новый этап ее эволюции, тогда достаточные условия, обеспечивающие коэволюцию человека и природы, возникнут сами и будут познаны. Чтобы это произошло, человечеству предстоит глубокий пересмотр всех своих жизненных принципов и полная смена жизненной стратегии. С уверенностью можно сказать лишь одно -- это будет уже другое человечество, и биосфера тоже будет уже другой -- она стабилизируется на новом уровне.



Литература

1.Алексеев, С.И. Практикум по дисциплине «Концепции современного естество-знания». / Московский международный институт эконометрики, информатики, финансов и права, - М. 2003- 19 с.

2.Горбачев, В.В. Концепции современного естествознания: учебник / В.В. Горбачев. - М.: Оникс, 2008. - 592 с.

3.Концепции современного естествознания: учебник / Под ред. Михайлова Л.А. - Изд-во: Питер, 2008. - 336 с.

4.Бандурка, А.М. Основы психологии и педагогики: учебное пособие /А.М. Бандурка В.А. Тюрина, Е.И. Федоренко. - Ростов н/Д: Феникс, 2009. - 250 с.

5.Вертьянов, С.Ю. Происхождение жизни: Факты, гипотезы, доказательства. - 5 изд. доп. - 2009 -146с

6.Грин, Б. Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окон-чательной теории: Пер. с англ. / Общ.ред. В.О. Малышенко. - М.: Едиториал УРСС, 2004. - 288 с.

7.Матвеев, В.А. Концепции современного естествознания: учебно-методический ком-плекс дисциплины. - СПб.: Академия управления и экономики, 2006. - 102 с.

8.Новикова, В.Б. Экология: биосфера и человек: курс лекций /В.Б. Новикова О.В. Злотникова. - Красноярск: КрасГАУ, 2008. - 114 с.

9.Плащинская, Н.С. Психология и педагогика: учеб.-метод. пособие / Н.С. Плащин-ская. - Красноярск: КрасГАУ, 2009. - 108 с.

10.Саган, К.С. Космос: Эволюция Вселенной, жизни и цивилизации / Карл Саган; [пер. с англ. А .Сергеева]. -- СПб .: ТИД Амфора, 2005. - 52 5 с.

11.Тарасов Л. В. Закономерности окружающего мира. В 3 кн. Кн. 1. Случайность, необ-ходимость, вероятность. -- М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. -- 384 с.

12.Тарасов Л. В. Закономерности окружающего мира. В 3 кн. Кн. 2. Вероятность в со-временном обществе. -- М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. -- 360 с.

13.Тарасов Л. В. Закономерности окружающего мира. В 3 кн. Кн. 3. Эволюция есте-ственно-научного знания. -- М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. -- 360 с.

14.Тихонов, А.С., Петров, Г.А. Концепции современного естествознания: учебно-методический комплекс для студентов вузов. Чебоксары: Чувашгоспедуниверситет им. И.Я. Яковлева, 2007. - 44 с.

15.Хокинг, С., Млодинов Л. Кратчайшая история времени: Амфора; СПб; 2006 - 86 с.

16.Шилов, И.А. Экология: учебник /И.А. Шилов. 7-е изд. - М: Юрайт-Издат, 2011. - 512 с.

Размещено на Allbest.ru