Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ"

Контрольная работа по дисциплине

"ЭКОЛОГИЯ"

Выполнил: студент 2 курса з/о агрономического факультета,

Рощин Е.А.

Проверил: Лобанова Т.В.

Барнаул 2016

Содержание

• Вопрос № 1. (10) Ограничивающие или лимитирующие факторы, их характеристика
• Вопрос № 2. (23) Фотопериодизм
• Вопрос № 3. (36) Искусственные биоценозы и их характеристика: агроценоз, урбаценоз, техноценоз
• Вопрос № 4. (49) Структура, границы и характерные основные особенности биосферы
• Вопрос № 5. (62) Круговорот веществ и биогеохимические циклы в биосфере
• Вопрос № 6. (75) Природно-охраняемые ландшафты и заповедные территории
• Вопрос № 7. (88) Экологическая экспертиза
• Список литературы

Вопрос № 1. (10) Ограничивающие или лимитирующие факторы, их характеристика

В совокупном давлении среды выделяются факторы, которые сильнее всего ограничивают успешность жизни организмов. Такие факторы называют ограничивающими, или лимитирующими.

Лимитирующие (ограничивающие) факторы - это

1) любые факторы, тормозящие рост популяции в экосистеме;

2) факторы среды, значение которых сильно отклоняется от оптимума.

При наличии оптимальных сочетаний множества факторов один лимитирующий фактор может привести к угнетению и гибели организмов. Например, теплолюбивые растения погибают при отрицательной температуре воздуха, несмотря на оптимальное содержание элементов питания в почве, оптимальную влажность, освещенность и так далее. Лимитирующие факторы являются незаменимыми в том случае, если они не взаимодействуют с другими факторами. Например, недостаток минерального азота в почве нельзя скомпенсировать избытком калия или фосфора.

Лимитирующие факторы для наземных экосистем:

температура;

вода;

свет;

питательные вещества в почве.

Лимитирующие факторы для водных экосистем:

температура;

солнечный свет;

содержание растворенного кислорода;

соленость.

Обычно эти факторы взаимодействуют таким образом, что один процесс ограничен одновременно несколькими факторами, и изменение любого из них приводит к новому равновесию. Например, увеличение доступности пищи, и уменьшение давления хищников могут привести к возрастанию численности популяции.

Примерами ограничивающих факторов являются: выходы неразмываемых пород, базис эрозии, борта долины и др.

Так, фактором, ограничивающим распространение оленей, является глубина снежного покрова; бабочки озимой совки (вредителя овощных и зерновых культур) - зимняя температура и т.д.

Представление о лимитирующих факторах основывается на двух законах экологии: законе минимума и законе толерантности.

В середине XIX в. немецкий ученый-агрохимик Ю. Либих изучал процессы питания растений и влияние разнообразных факторов и элементов питания на их рост. Он установил, что урожай культур зачастую ограничивается (лимитируется) не теми элементами питания, которые требуются в больших количествах, например углекислым газом и водой (обычно эти вещества присутствуют в среде в изобилии), а теми, которые необходимы в минимальных количествах, но которых и в почве очень мало (например, цинк). Либих писал: "Веществом, находящимся в минимуме, управляется урожай и определяется величина и устойчивость последнего во времени".

В простейшем виде, применительно к конкретным опытам ученого, закон минимума Либиха гласит: рост растения зависит от того элемента питания, который присутствует в минимальном количестве (минимуме). В современной формулировке закон минимума звучит так: выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей.

Закон минимума Либиха можно пояснить на таком примере. Пусть в почве содержатся все элементы минерального питания, необходимые для данного вида растений, кроме одного из них, например бора или цинка. Рост растений на такой почве будет угнетен. Если добавить в почву нужное количество бора (цинка), то это приведет к увеличению урожая. Но если вносить любые другие химические соединения (например, азот, фосфор, калий) и даже удастся добиться того, что все они будут содержаться в оптимальных количествах, а бор (цинк) будет отсутствовать, это не даст никакого эффекта.

При формулировании своих обобщений Либих пользовался определением "лимитирующий" по отношению к факторам среды. В экологии под лимитирующим (ограничивающим) фактором понимается любой фактор, который ограничивает процесс развития или существования организма, вида или сообщества. Им может быть любой из действующих в природе экологических факторов: вода, тепло, свет, ветер, рельеф, содержание в почве необходимых для жизнедеятельности растений солей и химических элементов, а в водной среде - химизм и качество воды, количество доступного кислорода и углекислого газа. Такими факторами могут быть конкуренция со стороны другого вида, присутствие хищника или паразита.

Возможно выделение вероятных слабых звеньев среды, которые могут оказаться критическими или лимитирующими. При целенаправленном воздействии на лимитирующие условия можно быстро и эффективно повышать урожайность растений и производительность животных. Так, при разведении пшеницы на кислых почвах никакие агрономические мероприятия не дадут эффекта, если не применять известкование, которое снизит ограничивающее действие кислот. Или, если выращивать кукурузу на почвах с очень низким содержанием фосфора, то даже при достаточном количестве воды, азота, калия и других питательных веществ она перестает расти. Фосфор в данном случае - лимитирующий фактор. И только фосфорные удобрения могут спасти урожай. Растения могут погибнуть и от слишком большого количества воды или избытка удобрений, которые в данном случае тоже являются лимитирующими факторами.

Если изменение значения лимитирующего фактора приводит к много большему (в сравниваемых единицах) изменению выходной характеристики системы или других элементов, то лимитирующий фактор называют управляющим элементом по отношению к этим последним управляемым характеристикам, или элементам.

Часто хорошим способом выявления лимитирующих факторов служит изучение распределения и поведения организмов на периферии их ареала.

Заключение:

Выявление лимитирующих факторов - это прием аппроксимации, выявляющий наиболее грубые, существенные особенности системы.

Выявление лимитирующих звеньев позволяет значительно упростить описание, а в некоторых случаях - качественно судить о динамических состояниях системы.

Знание лимитирующих факторов даёт ключ к управлению экосистемами, поэтому только умелое регулирование условий существования может дать эффективные результаты управления.

Представление о лимитирующих факторах, берущее свое начало от классических работ Либиха, активно используется в биохимии, физиологии, агрономии, а также в количественной генетике.

Ключевую роль в эволюции играют лимитирующие факторы организации, ограничивающие возможности определенных направлений эволюции.

Ценность концепции лимитирующих факторов заключается в том, что дается отправная точка при исследовании сложных ситуации.

Выявление ограничивающих факторов - ключ к управлению жизнедеятельностью организмов.

Выявление лимитирующих факторов очень важно для многих видов деятельности, особенно сельского хозяйства.

биосфера фотопериодизм лимитирующий фактор

Вопрос № 2. (23) Фотопериодизм

Фотопериодизм - реакция организмов на суточный ритм освещения, то есть на соотношение светлого (длина дня) и темного (длина ночи) периодов суток, выражающаяся в изменении процессов роста и развития. Фотопериодизм присущ растениям и животным.

У растений систематическое и разностороннее изучение фотопериодизма началось в 1920 году.

Фотопериодизм - приспособительная реакция к комплексу сезонных изменений внешних условий. Одним из проявлений фотопериодизма является фотопериодическая реакция зацветания. В зависимости от реакции на длину дня, ускоряющей зацветание, растения делятся на: длиннодневные, короткодневные и нейтральные.

Длиннодневные растения распространены в основном в умеренных и приполярных широтах, короткодневные - в областях ближе к субтропикам.

Органы восприятия фотопериода - листья.

Основной результат фотопериодизма - образование в разных органах растений фотогормонов, влияющих на цветение, образование клубней, луковиц, корнеплодов и т.д. и на физиологические процессы (например, переход к покою, засухоустойчивость).

Используя фотопериодизм, можно регулировать процессы роста и развития растений, в частности цветения, что применяется в селекции. У животных фотопериодизм контролирует наступление и прекращение брачного периода, плодовитость, сезонные линьки, переход к зимней спячке и многое другое. Он генетически обусловлен и связан с биологическими ритмами. В формировании фотопериодических реакций участвуют нервные и гормональные механизмы.

Значение особенностей фотопериодизма позволяет прогнозировать динамику численности, регулировать ее, управлять развитием животных при искусственном их выращивании.

Фотопериодизм `Биологический энциклопедический словарь (от фото. и греч. periodos - круговращение, чередование), реакция организмов на суточный ритм освещения, т.е. на соотношение светлого (длина дня) и тёмного (длина ночи) периодов суток, выражающаяся в изменении процессов роста и развития. Фотопериодизм присущ растениям и животным. У растений систематическое и разностороннее изучение Фотопериодизма началось в 1920-х гг. Фотопериодизм - приспособительная реакция к комплексу сезонных изменений внеш. условий. Одним из проявлений Фотопериодизм является фотопериодич. реакция зацветания. В зависимости от реакции на длину дня, ускоряющей зацветание, растения делятся на длиннодневные (молодило, белена, хлебные злаки и др.), короткодневные (табак, рис, просо, соя, конопля и др.) и нейтральные (гречиха, горох и др.). Длиннодневные растения распространены в осн. в умеренных и приполярных широтах, короткодневные - в областях ближе к субтропикам. Органы восприятия фотопериода - листья.

Энциклопедия сельского хозяйства. Фотопериодизм растений, реакция на соотношение светлого (длина дня) и тёмного [темного] (длина ночи) периодов суток, выражающаяся в изменении процессов роста и развития; связана с приспособлением онтогенеза к сезонным изменениям внеш. условий. Длина дня служит растениям указателем времени года и внешним сигналом для перехода к цветению или для подготовки к неблагоприятному сезону. Одно из основных проявлений Фотопериодизма - фотопериодическая реакция зацветания. Органом восприятия фотопериода служит лист, в котором в результате световых и темновых реакций образуется гормональный комплекс, стимулирующий зацветание. По фотопериоду, вызывающему цветение, растения делятся на длиннодневные (зерновые колосовые в др.), короткодневные (рис, просо, конопля, соя и др.) и нейтральные (гречиха, горох и др.).

Вопрос № 3. (36) Искусственные биоценозы и их характеристика: агроценоз, урбаценоз, техноценоз

Что же такое биоценоз.

Слово это образовано путем слияния двух латинских слов: "биос" - жизнь и "ценоз" - общие. Обозначает этот термин совокупность обитающих на одной территории, взаимосвязанных и взаимодействующих между собой микроорганизмов, грибов, растений и животных. Любое биологическое сообщество включает в себя такие компоненты биоценоза: микроорганизмы (микробиоценоз); растительность (фитоценоз); животные (зооценоз). Каждая из этих составляющих играет важную роль и может быть представлена особями разных видов. Однако следует отметить, что фитоценоз является ведущим компонентом, определяющим микробиоценоз и зооценоз.

Биоценозы искусственные создаются, поддерживаются и управляются человеком. Профессор Б.Г. Иоганзен ввел в экологию понятие антропоценоза, то есть искусственно сотворенной людьми природной системы, например, сквера, террариума или аквариума. Среди искусственных биоценозов выделяют агробиоценозы (агроценозы) - сообщества, созданные человеком для получения каких-либо продуктов. К ним относятся: водохранилища; каналы; пруды; осушенные болота; пастбища; поля для выращивания различных сельскохозяйственных культур; полезащитные лесные полосы; искусственно возобновляемые лесопосадки. Характерными особенностями агроценозов являются: Подобные искусственные системы экологически довольно неустойчивы, и без человеческого участия агроценозы овощных и зерновых культур просуществуют около года, агробиоценозы многолетних трав продержатся примерно три года. Наиболее устойчивы биоценозы искусственные плодовых культур, так как без воздействия человека они смогут существовать несколько десятилетий. агрофитоценоз как основа жизнедеятельности; отсутствие саморегуляции системы; низкое видовое разнообразие; доминирование домашних животных или окультуренных растений; получение дополнительной поддержки от человека (борьба с сорняками и вредителями, внесение удобрений и другое); невозможность длительного существования без человеческого участия. Однако следует отметить, что даже самые бедные в видовом разнообразии агроценозы имеют в своем составе десятки видов организмов, относящихся к различным экологическим и систематическим группам. Любое поле, засеянное человеком кормовыми или сельскохозяйственными культурами, - это населенный разными живыми организмами биоценоз. Примеры - это и поле ржи или пшеницы, где кроме основной культуры "обитают" и сорняки; и различные насекомые (как вредители, так и их антагонисты); и множество микроорганизмов и беспозвоночных.

Урбаэкосистемы - экосистемы поселений человека. По своей структуре это сложные системы, содержащие кроме собственно жилых зданий сооружения, которые обслуживают человека (промышленные предприятия, транспорт и дороги, парки и т.д.). Значительная часть всего населения мира проживает в городах (около 75%). Процесс увеличения численности городских поселений, приводящий к росту и развитию городов, получил название урбанизации. Крупный город изменяет почти все компоненты природной среды - атмосферу, растительность, почву, рельеф, гидрографическую сеть, подземные воды, грунты и даже климат. Климатические условия в городах значительно отличаются от окружающих районов. Перепады температур, относительной влажности, величины солнечной радиации между городом и его окрестностями иногда соизмеряются с передвижением в естественных условиях на 20° по широте. На метеорологический режим города влияют следующие факторы: изменение альбедо (отражательной способности) земной поверхности, приводит к нагреву зданий и сооружений в городе и образованию "острова тепла".

Средняя температура воздуха в большом городе обычно выше температуры окружающих районов на 1-2, ночью - 6-8°С; в черте города заметно уменьшается скорость ветра что приводит к формированию очагов с высокими концентрациями загрязняющих веществ в воздухе; загрязнение атмосферы различными примесями, способствует образованию антропогенного аэрозоля, что приводит к резкому уменьшению количества солнечной радиации (инсоляции), поступающей на земную поверхность на 15%, ультрафиолетового излучения - в среднем на 30%, способствует увеличению частоты туманов - в среднем в 2-5 раз, увеличению облачности и вероятности выпадения осадков.

Увеличение количества осадков над городом идет в ущерб другим районам, усиливая засушливость сельской местность; уменьшение средней величины испарения с земной поверхности приводит к значительному снижению влажности воздуха зимой на 2%, летом на 20-30%. Проблема современных крупных городов усугубляется резкой недостаточностью природно-пространственных ресурсов. Поэтому большое значение должно уделяться вопросам планировки городов. Под планировкой населенных мест (городской планировкой) понимается отрасль архитектуры, рассматривающая вопросы комплексного упорядочения жизненного пространства на уровне регионов, групп населенных мест и отдельных городов и поселков городского типа. В последние годы появилось направление экологической планировки, в котором доминируют именно экологические требования, - экологическая архитектура. Экологическая архитектура стремится максимально учесть экологические и социально-экологические потребности конкретного человека от его рождения до глубокой старости. Современные формы пространственной организации и концентрации производства дают возможность изолировать наиболее агрессивные по отношению к окружающей природной среде и человеку хозяйственные объекты, а ценные природные комплексы сделать более доступными.

Для этого разрабатываются функциональные зоны. Жилая (селитебная) зона предназначена для размещения жилых районов, общественных центров (административных, научных, учебных, медицинских и др.), зеленых насаждений. В ней запрещено строительство промышленных, транспортных и иных предприятий, загрязняющих окружающую человека среду. Жилую зону размещают с наветренной стороны для ветров преобладающего направления, а также выше по течению рек по отношению к промышленным и сельскохозяйственным предприятиям с технологическими процессами, являющимися источником выделения в окружающую среду вредных и неприятно пахнущих веществ. В районах с противоположным направлением преобладающих ветров в летний и зимний периоды года жилые районы располагают слева и справа от указанных направлений ветров по отношению к промышленным предприятиям.

Промышленная зона предназначается для размещения промышленных предприятий и связанных с ними объектов. Промышленные зоны формируют с учетом производственно-технологических, транспортных, санитарно-гигиенических и функциональных требований. Наиболее вредные предприятия, в том числе взрывоопасные и пожароопасные, располагают в отдалении от жилой зоны, причем с подветренной стороны, т.е. таким образом, чтобы господствующие ветры дули от жилой зоны на промышленную. Промышленные зоны с предприятиями, загрязняющими поверхность воды, размещаются по течению реки ниже жилой зоны и зоны отдыха. Для улучшения процессов рассеивания выбросов в атмосферу предприятия располагают на более высоких отметках местности, увеличивая тем самым фактическую высоту выброса. Наоборот, предприятия с загрязненными промышленными площадками во избежание смыва загрязнений ливневыми водами на жилую территорию должны размещаться на более низких отметках, чем жилая территория и зона отдыха.

Санитарно-защитная зона предназначена для уменьшения отрицательного влияния промышленных и транспортных объектов на население. Эта зона пространства и растительности специально выделяется между промышленными предприятиями и районом проживания населения. Санитарно-защитная зона обеспечивает пространство для безопасного рассеивания вредных промышленных отходов. Ширина санитарно-защитной зоны определяется рассчитывается на основе научных материалов по закономерности распространения воздушных загрязнений, наличию в атмосфере процессов самоочищения, а также норм предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ.

В соответствии с экологическими требованиями не менее 40% санитарно-защитной зоны должно быть озеленено. Коммунально-складская зона предназначена для размещения торговых складов, складов для хранения овощей и фруктов, предприятий по обслуживанию транспорта (депо, автопарки), предприятий бытового обслуживания (фабрики-прачечные и фабрики химической чистки) и т.д. Коммунально-складскую зону размещают вне жилой территории, зачастую на территории санитарно-защитных зон промышленных предприятий. Зона внешнего транспорта служит для размещения транспортных коммуникаций пассажирских и грузовых железнодорожных станций, портов, пристаней и др.

Жилую застройку городов и других населенных пунктов рекомендуется отделять от железнодорожных линий санитарно-защитной зоной шириной 100 м, от края проезжей части скоростных дорог и дорог грузового движения до красной линии жилой застройки не менее 50 м, или дополнительно должны сооружаться шумозащитные ограждения или лесополосы. Зона отдыха включает городские и районные парки, лесопарки, спортивные комплексы, пляжи, дачные поселки, курорты, места туризма.

Особое место среди возможных воздействий в современных селитебных зонах занимают воздействия, связанные с изменением физических параметров. Физическое загрязнение - это загрязнение, обусловленное изменением физических параметров среды: температурно-энергетических (тепловое), волновых (световое, шумовое и электромагнитное загрязнения), радиационных (радиационное и радиоактивное загрязнения). Тепловое загрязнение формируется при использовании человеком дополнительной энергии ископаемого топлива. Под влиянием дополнительного тепла происходят изменения гидрохимического состава грунтовых вод (засоление почв), нарушения микробиологического и почвенно-поглощающего комплексов, деградации и изменения видового состава растительности.

Нарушение геологической среды наблюдается в пределах городских территорий до глубины 10-30 м. Повышение температуры увеличивает их фильтрующую способность, уменьшает вязкость, пластичность и влагоемкость. Проявляются опасные геологические процессы и явления, прежде всего в условиях многолетнемерзлых пород: термопросадки, термокарст, солифлюкция, деградация мерзлоты, образование наледей и морозное пучение.

При повышении температуры в организме человека и животных наблюдается ускорение абсорбции вредных веществ и поступления их в кровь, что приводит к быстрому развитию токсического процесса, увеличивается чувствительность к отравляющему действию ядов, нарушение метаболизма, функционального состояния нервной системы. Световое загрязнение - это осветление ночного неба искусственными источниками света, чей свет рассеивается в нижних слоях атмосферы. Иногда это явление также называют световым смогом.

Световое загрязнение влияет на цикл роста и развития многих растений. Распространённые источники белого света с большим удельным весом спектрального голубого света мешают ориентации многих видов насекомых, ведущих ночной образ жизни, а также сбивают с пути перелётных птиц, старающихся облетать очаги цивилизации. Не до конца исследовано воздействие светового загрязнения на хронобиологию человеческого организма. Возможны отклонения в гормональном балансе, тесно связанным с воспринимаемым циклом дня и ночи.

Шумовое загрязнение. Естественные природные звуки на экологическом благополучии человека не отражаются: шелест листвы и мерный шум морского прибоя соответствуют примерно 20 дБ. Звуковой дискомфорт создают антропогенные источники шума с высокими (более 60 дБ) уровнями шума, которые вызывают многочисленные жалобы. Уровни шума менее 80 дБ не вызывают опасности для слуха, при 85 дБ начинается некоторое ухудшение слуха, а при 90 дБ - серьезное нарушение слуха; при 95 дБ вероятность потери слуха составляет 50%, а при 105 дБ потеря слуха отмечается практически у всех лиц, подвергшихся шумовому воздействию. Уровень шума 110-120 дБ считается болевым порогом, а свыше 130 дБ - является разрушительным пределом для органа слуха Допустимый шум уличного движения у стен домов не должен превышать днем 50 дБ и ночью 40 дБ, а общий уровень шума в жилых помещениях - 40 дБ днем и 30 дБ ночью.

Для снижения шума на пути его распространения, применяются различные мероприятия: организацию необходимых территориальных разрывов, рациональную планировку и застройку территории, использование рельефа местности в качестве естественных природных экранов, шумозащитное озеленение.

Электромагнитное загрязнение. Электромагнитные поля (ЭМП) являются одним из постоянных элементов среды обитания человека и всех живых существ, в условиях которого происходила многовековая эволюция организмов.

Так, в периоды магнитных бурь увеличивается число сердечно-сосудистых заболеваний. Постоянные магнитные поля в повседневной жизни создаются различными промышленными установками, некоторыми аппаратами и др.

Наиболее мощные источники электромагнитного излучения - телевизионные и радиостанции, радиолокационные станции, линии передач электрического тока сверх - и ультравысокого напряжения на большие расстояния.

Транспортировка электроэнергии, осуществляемая магистральными линиями электропередач (ЛЭП) напряжением свыше 500 кВ, создает проблему биологического действия, поэтому вдоль данных сооружений рекомендуется создавать полосы отчуждения шириной 60-90 м. кроме этого контролируется напряженность электрического поля в жилых помещениях, на участках пересечения ЛЭП с автомобильными дорогами и т.д.

Для обеспечения санитарно-гигиенических норм качества городской среды необходимо создавать экологический каркас - систему объединенных и переходящих друг в друга участков природы различной площади, неразрывная взаимосвязь которых позволяет поддерживать экологическое равновесие и среду жизни, биологическое разнообразие.

Основу данного каркаса составляют зеленые насаждения. Зеленые растения играют огромную роль в обогащении окружающей среды кислородом и поглощении образующегося диоксида углерода.

Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) считает, что на 1 горожанина должно приходиться 50 м2 городских зеленых насаждений и 300 м2 пригородных. Зеленые насаждения улучшают микроклимат городской территории, предохраняют от чрезмерного перегревания почву, стены зданий, тротуары, увеличивают влажность воздуха, задерживают пылевые частицы, осаждают мелкодисперсные аэрозоли, поглощают газообразные загрязняющие вещества.

Многие растения выделяют фитонциды - летучие вещества, способные убивать болезнетворные бактерии или тормозить их развитие. Хорошо защищают прилегающие территории от шумовых воздействий. Благотворно влияют на психическое и эмоциональное состояние человека.

Для повышения эффективности влияния зеленых насаждений на микроклимат прилегающих территорий рекомендуется создавать в городах зеленые полосы шириной 75-100 м через каждые 400-500 м. Эстетическую ценность урбанизированных ландшафтов повышают природные и искусственные акватории.

Гармоничное сочетание водного зеркала с прибрежной зеленью делает эти уголки природы привлекательными для всех горожан.

Вопрос № 4. (49) Структура, границы и характерные основные особенности биосферы

Биосфемра - оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности; "пленка жизни"; глобальная экосистема Земли.

Биосфера - оболочка Земли, заселённая живыми организмами и преобразованная ими. Биосфера сформировалась 500 млн. лет назад, когда на нашей планете стали зарождаться первые организмы. Она проникает во всю гидросферу, верхнюю часть литосферы и нижнюю часть атмосферы, то есть населяет экосферу. Биосфера представляет собой совокупность всех живых организмов. В ней обитает более 3 миллионов видов растений, животных, грибов и бактерий. Человек тоже является частью биосферы, его деятельность превосходит многие природные процессы и, как сказал В.И. Вернадский: "Человек становится могучей геологической силой".

Термин "биосфера" был введён в биологии Жаном-Батистом Ламарком в начале XIX века.

А в геологии термин был предложен австрийским геологом Эдуардом Зюссом в 1875 году.

Целостное учение о биосфере создал биогеохимик и философ В.И. Вернадский. Он впервые отвёл живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля, учитывая их деятельность не только в настоящее время, но и в прошлом.

Существует и другое, более широкое определение: Биосфера - область распространения жизни на космическом теле. Существование жизни на других космических объектах, помимо Земли пока неизвестно, считается, что биосфера может распространяться на них в более скрытых областях, например, в литосферных полостях или в подлёдных океанах. Так, например, рассматривается возможность существования жизни в океане спутника Юпитера Европы.

Границы биосферы

Верхняя граница в атмосфере: 15-20 км. Она определяется озоновым слоем, задерживающим коротковолновое УФ - излучение, губительное для живых организмов.

Нижняя граница в литосфере: 3,5-7,5 км. Она определяется температурой перехода воды в пар и температурой денатурации белков, однако в основном распространение живых организмов ограничивается вглубь несколькими метрами.

Граница между атмосферой и литосферой в гидросфере: 10-11 километров. Определяется граница биосферы дном Мирового Океана, включая донные отложения.

Состав биосферы

Биосферу слагают следующие типы веществ:

1. Живое вещество - вся совокупность тел живых организмов, населяющих Землю, физико-химически едина, вне зависимости от их систематической принадлежности. Живое вещество распределено в пределах биосферы очень неравномерно.

Живое вещество - вся совокупность тел живых организмов в биосфере, вне зависимости от их систематической принадлежности.

Это понятие не следует путать с понятием "биомасса", которое является частью биогенного вещества. Термин введён В.И. Вернадским.

Выделяют пять основных функций живого вещества:

1.1 Энергетическая. Заключается в поглощении солнечной энергии при фотосинтезе, а химической энергии - путем разложения энергонасыщенных веществ и передаче энергии по пищевой цепи разнородного живого вещества.

1.2 Концентрационная. Избирательное накопление в ходе жизнедеятельности определенных видов вещества. Выделяют два типа концентраций химических элементов живым веществом: а) массовое повышение концентраций элементов в среде, насыщенной этими элементами, например, серы и железа много в живом веществе в районах вулканизма; б) специфическую концентрацию того или иного элемента вне зависимости от среды.

1.3 Деструктивная. Заключается в минерализации необиогенного органического вещества, разложении неживого неорганического вещества, вовлечении образовавшихся веществ в биологический круговорот.

1.4 Средообразующая. Преобразование физико-химических параметров среды (главным образом за счет необиогенного вещества).

1.5 Транспортная. Перенос вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении.

2. Биогенное вещество - вещество, создаваемое и перерабатываемое живым веществом. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через свои органы, ткани, клетки, кровь всю атмосферу, весь объём мирового океана, огромную массу минеральных веществ. Эту геологическую роль живого вещества можно представить себе по месторождениям угля, нефти, карбонатных пород и т.д.

3. Косное вещество - продукты, образующиеся без участия живых организмов.

4. Биокосное вещество, которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя динамически равновесные системы тех и других. Таковы почва, ил, кора выветривания и т.д. Организмы в них играют ведущую роль.

5. Вещество, находящееся в радиоактивном распаде.

6. Рассеянные атомы, непрерывно создающиеся из всякого рода земного вещества под влиянием космических излучений.

7. Вещество космического происхождения.

Современная биосфера наряду с живым веществом включает в себя полностью гидросферу, верхнюю часть литосферы и нижнюю часть атмосферы.

Нижняя граница биосферы проходит в самой верхней части земной коры. Отчетливое распространение жизни отмечается здесь лишь до глубины в несколько десятков метров, однако с подземными водами микроорганизмы распространяются до глубин 2-3 км, хотя известны случаи обнаружения микроорганизмов в нефтяных водах и нефти, добытых при бурении скважин с глубин более 4 км.

С точки зрения концентрации живого вещества биосферы особый интерес представляет почвенный слой, толщина которого в различных ландшафтных и климатических зонах изменяется в широких пределах (от нескольких сантиметров до 1-1,5 м). Практически вся растительность суши, а, следовательно, и весь ее животный мир связаны с почвой как необходимым источником пищи. Важнейшим свойством почвы является ее плодородие, т.е. способность обеспечить необходимые условия для жизни растений. Большое значение в плодородии почв играет гумус, состоящий преимущественно из продуктов биохимического разложения отмерших остатков организмов. Почва является местом обитания огромного количества микроорганизмов, водорослей, простейших, насекомых, червей и других беспозвоночных животных и большого количества позвоночных животных.

В качестве верхней границы биосферы принимается нижняя граница озонового слоя, почти полностью поглощающего губительные для всего живого ультрафиолетовые лучи. Вот почему часто озоновый слой называют "озоновым щитом”, защищающим жизнь на Земле. Здесь будет нелишним заметить, что включение в биосферу нижней атмосферы является несколько условным, так как нахождение организмов в ней на значительных высотах над земной поверхностью в большинстве случаев может быть временным, а истинной средой обитания их служит гидросфера, верхняя часть земной коры и тонкий слой приземной атмосферы.

Структура биосферы

Газовая оболочка складывается в основном с азота и кислорода. В невеликих количествах в ней удерживается диоксид углерода (0,03%) и озон. Состояние атмосферы оказывает большое влияние на физические, химические и биологические процессы на поверхности Земли и в водной среде. Для биологических процессов наибольшая значимость имеют: кислород, используемый для дыхания и минерализации мертвого органического вещества, диоксид углерода, который участвует в фотосинтезе, и озон, экранирующий земную поверхность от твердого ультрафиолетового излучения. Азот, диоксид углерода, пары воды образовались в значительной мере благодаря вулканической деятельности, а кислород - в результате фотосинтеза. Биологический спектр структуры биосферы имеет ступенчатый характер: сообщество, популяция, организм, орган, клетка, ген.

Биосфера и космос.

Земля - уникальная планета, она находится на единственно возможном расстоянии от Солнца, которое определяет такую температуру поверхности Земли, при которой вода может находиться в жидком состоянии.

Земля получает от солнца огромное количество энергии и сохраняет при этом примерно постоянную температуру. Значит, наша планета излучает в космос почти такое же количество энергии, какое получает из космоса: приход и расход должны быть сбалансированы, иначе система однажды потеряет устойчивость. Земля либо нагреется, либо замерзнет и превратится в безжизненное тело. Биосфера тесно связана с космосом. Потоки энергии, поступающие к Земле, создают условия, обеспечивающие жизнь. Магнитное поле и озоновый экран защищают планету от излишних космических излучений и интенсивной солнечной радиации. Космические излучения, достигающие биосферы, обеспечивают фотосинтез и влияют на активность живых существ.

Вопрос № 5. (62) Круговорот веществ и биогеохимические циклы в биосфере

Весь лик Земли: все ее ландшафты, атмосфера, химический состав вод - все это обязано своим происхождением прежде всегo жизни. В биосфере в результате жизнедеятельности микроорганизмов в больших масштабах осуществляются такие химические процессы, как окисление и восстановление элементов с переменной валентностью (азот, сера, железо, марганец и др.). Микроорганизмы-окислители могут быть как автотрофами, так и гетеротрофами. Это бактерии, окисляющие сероводород и серу, нитри - и нитрофицирующие микроорганизмы, железные и марганцевые бактерии, концентрирующие эти металлы в своих клетках. В результате образуются осадочные месторождения серы, залежи сульфидов металлов, железные и железомарганцевые руды.

За счет жизнедеятельности огромного числа гетеротрофов, в основном грибов, животных и микроорганизмов, происходит гигантская в масштабах всей Земли работа по разложению органических остатков Природные воды, обогащенные этими продуктами минерализации, становятся химически высокоактивными и разрушают горные породы. Процесс разложения органических веществ, при котором освобождается химическая энергия, характерен для всех частей биосферы, где есть живые организмы. Часть органического вещества, попадающего в условия, неблагоприятные для деятельности деструкторов, захоранивается и консервируется в составе осадочных пород, поэтому синтез органических веществ в масштабе всей биосферы не полностью уравновешивается их разложением.

Основных круговоротов веществ в природе два: большой (геологический) и малый (биогеохимический). Большой круговорот веществ в природе (геологический) обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли. 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, либо выпадает на ту 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.

Малый круговорот веществ в биосфере (биогеохимический), 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. Этот круговорот для жизни биосферы - главный, и он сам является порождением жизни. Изменяясь, рождаясь и умирая, живое вещество поддерживает жизнь на нашей планете, обеспечивая биогеохимический круговорот веществ. Главным источником энергии круговорота является солнечная радиация, которая используется в фотосинтезе. Эта энергия довольно неравномерно распределяется по поверхности земного шара. Например, на экваторе количество тепла, приходящееся на единицу площади, в три раза больше, чем на архипелаге Шпицберген (80° с. ш.). Кроме того, она теряется путем отражения, поглощается почвой, расходуется на транспирацию воды и т.д. а на фотосинтез тратится не более 5% от всей энергии, но чаще всего 2-3%. В ряде экосистем перенос вещества и энергии осуществляется преимущественно посредством трофических цепей. Такой круговорот обычно называют биологическим. Он предполагает замкнутый цикл веществ, многократно используемый трофической целью. Однако в масштабах всей биосферы такой круговорот невозможен. Здесь действует биогеохимический круговорот, представляющий собой обмен макро - и микроэлементов и простых неорганических веществ (СО2, Н2О) с веществом атмосферы, гидросферы и литосферы.

Круговорот отдельных веществ В.И. Вернадский назвал биогеохимическими циклами. Суть цикла в следующем: химические элементы, поглощенные организмом, впоследствии его покидают, уходя в абиотическую среду, затем, через какое-то время, снова попадают в живой организм и т.д. Этими циклами и круговоротом в целом обеспечиваются важнейшие функции живого вещества в биосфере.

Биогеохимические циклы наиболее жизненно важных биогенных веществ Наиболее жизненно важными можно считать вещества, из которых в основном состоят белковые молекулы. К ним относятся углерод, азот, кислород, фосфор, сера. Биогеохимические циклы углерода, азота и кислорода наиболее совершенны. Благодаря большим атмосферным резервам, они способны к быстрой саморегуляции. В круговороте углерода, а точнее - наиболее подвижной его формы - СО2, четко прослеживается трофическая цепь: продуценты, улавливающие углерод из атмосферы при фотосинтезе, консументы - поглощающие углерод вместе с телами продуцентов и консументов низших порядков, редуцентов - возвращающих углерод вновь в круговорот. Скорость оборота СО2 составляет порядка 300 лет (полная его замена в атмосфере) (рис.2). В Мировом океане трофическая цепь: продуценты (фитопланктон) - консументы (зоопланктон, рыбы) - редуценты (микроорганизмы) - осложняется тем, что некоторая часть углерода мертвых организмов, опускаясь на дно, "уходит" в осадочные породы и участвует уже не в биологическом, а в геологическом круговороте вещества. Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса, они содержат до 500 млрд т этого элемента, что составляет 2/3 его запаса в атмосфере. Вмешательство человека в круговорот этого элемента приводит к возрастанию содержания СО2 в атмосфере. Скорость круговорота кислорода - 2 тыс. лет, именно за это время весь кислород атмосферы проходит через живое вещество. Основной поставщик кислорода на Земле - зеленые растения. Ежегодно они производят на суше 53 ·109 т кислорода, а в океанах - 414 · 109 т. Главный потребитель кислорода - животные, почвенные организмы и растения, использующие его в процессе дыхания. Процесс круговорота кислорода в биосфере весьма сложен, так как он содержится в очень многих химических соединениях. Подсчитано, что на промышленные и бытовые нужды ежегодно расходуется 23% кислорода, который освобождается в процессе фотосинтеза. Отдельные высоко развитые страны расходуют кислорода больше, чем производится его растениями на их территории. Биогеохимический круговорот азота не менее сложен, чем углерода и кислорода, и охватывает все области биосферы. Поглощение его растениями ограничено, так как они усваивают азот только в форме соединения его с водородом и кислородом. И это при том, что запасы азота в атмосфере неисчерпаемы (78% от ее объема). Редуценты (деструкторы), а конкретно почвенные бактерии, постепенно разлагают белковые вещества отмерших организмов и превращают их в аммонийные соединения, нитраты и нитриты. Часть нитратов попадает в процессе круговорота в подземные воды и загрязняет их. Опасность заключается также и в том, что азот в виде нитратов и нитритов усваивается растениями и может передаваться по пищевым (трофическим) цепям. Азот возвращается в атмосферу вновь с выделенными при гниении газами. Роль бактерий в цикле азота такова, что если будет уничтожено только двенадцать их видов, участвующих в круговороте азота, жизнь на Земле прекратится.

Биогеохимический круговорот в биосфере, помимо кислорода, углерода и азота, совершают и многие другие элементы, входящие в состав органических веществ, - сера, фосфор, железо и др. Биогеохимические циклы фосфора и серы, важнейших биогенных элементов, значительно менее совершенны, так как основная их масса содержится в резервном фонде земной коры, в "недоступном" фонде. Круговорот серы и фосфора - типичный осадочный биогеохимический цикл. Такие циклы легко нарушаются от различного рода воздействий и часть обмениваемого материала выходит из круговорота. Возвратиться опять в круговорот она может лишь в результате геологических процессов или путем извлечения живым веществом биофильных компонентов. Фосфор содержится в горных породах, образовавшихся в. прошлые геологические эпохи. В биогеохимический круговорот он может попасть в случае подъема этих пород из глубины земной коры на поверхность суши, в зону выветривания. Общий круговорот фосфора можно разделить на две части - водную и наземную. В водных экосистемах он усваивается фитопланктоном и передается по трофической цепи вплоть до консументов третьего порядка - морских птиц.

Их экскременты снова попадают в море и вступают в круговорот, либо накапливаются на берегу и смываются в море. Из отмирающих морских животных, особенно рыб, фосфор снова попадает в море и в круговорот, но часть скелетов рыб достигает больших глубин и заключенный в них фосфор снова попадает в осадочные породы. В наземных экосистемах фосфор извлекают растения из почв и далее он распространяется по трофической сети. Возвращается в почву после отмирания животных и растений и с их экскрементами. Теряется фосфор из почв в результате их водной эрозии. Повышенное содержание фосфора на водных путях его переноса вызывает бурное увеличение биомассы водных растений, "цветение" водоемов и их эвтрофикацию. Большая же часть фосфора уносится в море и там теряется безвозвратно. Сера также имеет основной резервный фонд в отложениях и почве, но в отличие от фосфора имеет резервный фонд и в атмосфере. В обменном фонде главная роль принадлежит микроорганизмам. Одни из них восстановители, другие - окислители.

В горных породах сера встречается в виде сульфидов (FeS и др.), в растворах - в форме иона (SO42-), в газообразной фазе в виде сероводорода (H2S) или сернистого газа (SO2). В некоторых организмах сера накапливается в чистом виде (S2) и при их отмирании на дне морей образуются залежи самородной серы. В морской среде сульфат-ион занимает второе место по содержанию после хлора и является основной доступной формой серы, которая восстанавливается автотрофами и включается в состав аминокислот. Круговорот серы, хотя ее требуется организмам в небольших количествах, является ключевым в общем процессе продукции и разложения. Например, при образовании сульфидов железа (FeS), фосфор переходит в растворимую форму, доступную для организмов. В наземных экосистемах сера возвращается в почву при отмирании растений, захватывается микроорганизмами, которые восстанавливают ее до H2S.

Другие организмы и воздействие самого кислорода приводят к окислению этих продуктов. Образовавшиеся сульфаты растворяются и поглощаются растениями из поровых растворов почвы - так продолжается круговорот. Однако круговорот серы, так же как и азота, может быть нарушен вмешательством человека. Виной тому прежде всего сжигание ископаемого топлива, а особенно угля. Сернистый газ (SO2) нарушает процессы фотосинтеза и приводит к гибели растительности.

Биогеохимические циклы легко нарушаются человеком.

Так, добывая минеральные удобрения, он загрязняет воду и воздушную среду. В воду попадает фосфор, вызывая эвтрофикацию, азотистые высокотоксичные соединения и др. Иными словами, круговорот становится не циклическим, а ациклическим. Охрана природных ресурсов должна быть, в частности, направлена на то, чтобы ациклические биогеохимические процессы превратить в циклические.

Таким образом, всеобщий гомеостаз биосферы зависит от стабильности биогеохимического круговорота веществ в природе. Но являясь планетарной экосистемой, биосфера состоит из экосистем всех уровней, поэтому первоочередное значение для ее гомеостаза имеют целостность и устойчивость природных экосистем.

Вопрос № 6. (75) Природно-охраняемые ландшафты и заповедные территории

Заповедники - высшая форма охраны природных участков. Заповедники предназначены исключительно для выполнения научных и научно-технических задач в стране. В этом специфика и принципиальное отличие заповедников от других форм охраняемых территорий. Под заповедники отводятся участки, наиболее типичные для данной природной зоны, способные служить образцом ландшафтно-географических зон. Предпочтение отдается тем участкам, которые в наименьшей степени изменены хозяйственной деятельностью человека, а также тем ландшафтам, которым угрожает опасность исчезновения.

Чаще всего один заповедник занимает 30-70 тыс. га, но есть заповедники по 700-800 тыс. га (например, Печеро-Ильческий, Алтайский). В европейской части страны, где нет больших площадей, пригодных для заповедника, размеры его не превышают 1 - 5 тыс. га.

Природно-охраняемые ландшафты и заповедные территории

Охрана ландшафтов имеет много форм, которые могут быть объединены в три группы:

1. полная охрана ландшафтов как комплексов биогеоценозов;

2. частичная охрана природных объектов;

3. создание и поддержание оптимального антропогенного ландшафта.

Две первые формы охраны ландшафта связаны с заповедными территориями. При этом полная охрана преследует главным образом научные цели. Частичная охрана направлена на научно-технические или ресурсно-охранные и культурные цели.

Большое значение имеют заповедные территории для охраны генофонда нашей планеты, как природные объекты для экологических исследований.

Формы заповедных территорий во всем мире разнообразны. Это национальные и природные парки, резерваты различных назначений, заказники, охраняемые ландшафты, участки дикой природы, заповедники и т.д. Основные формы охраны природных участков за рубежом - национальные и природные парки, резерваты, а в России - заповедники и заказники.

Заповедники - высшая форма охраны природных участков. Заповедники предназначены исключительно для выполнения научных и научно-технических задач в стране. В этом специфика и принципиальное отличие заповедников от других форм охраняемых территорий. Под заповедники отводятся участки, наиболее типичные для данной природной зоны, способные служить образцом ландшафтно-географических зон. Предпочтение отдается тем участкам, которые в наименьшей степени изменены хозяйственной деятельностью человека, а также тем ландшафтам, которым угрожает опасность исчезновения.