Главная Обратная связь

Дисциплины:






Экологические факторы.

Понятие о биосфере.

Биосфера (от греческого слова bios - жизнь, sphaira - шар) – область системного взаимодействия живого и косного вещества планеты. Она представляет собой глобальную экосистему, т.е. совокупность всех экосистем нашей планеты.

Впервые термин «биосфера» в научную литературу ввел в 1875 году австрийский геолог Э. Зюсс.

Заслуга создания учения о биосфере принадлежит В.И. Вернадскому. Основу данного учения составляет понятие биосферы как целостной оболочки Земли, населенной жизнью и качественно преобразованной живым веществом планеты.

По утверждению В.И. Вернадского, живое вещество Земли есть самая мощная сила в биосфере, материально и энергетически определяющая ее функции.

Структура биосферы. Биосфера включает в себя:

- аэробиосферу – нижняя часть атмосферы;

- гидробиосферу – всю гидросферу;

- литобиосферу – верхние горизонты литосферы.

Атмосфера – воздушная оболочка Земли. В вертикальном направлении атмосферу разделяют на несколько основных слоев: тропосфера (до 9-17 км.); стратосфера (до 50-55 км); мезосфера (до 80-85 км); термосфера (до 100 км).

На высоте 15-20 км располагается озоновый слой, защищающий живые организмы от жесткого ультрафиолетового излучения.

Гидросфера –водная оболочка Земли, покрывает 2/3 поверхности планеты. Под гидросферой понимают основные воды на земной поверхности в жидком и твердом агрегатном состояниях. Объем воды гидросферы не исчерпывается тем ее количеством, которое сосредоточено в океанах и морях. Более 40 % воды заключено в недрах литосферы, небольшая часть находится в атмосфере.

Литосфера – твердая оболочка Земли, сложенная горными породами и их производными вулканического происхождения, осадочными соединениями, продуктами выветривания.

Границы биосферы.

Современная жизнь распространена в верхней части земной коры (литосфере), в нижних слоях воздушной оболочки (атмосфере) и в водной оболочке Земли (гидросфере).

В глубь Земли живые организмы проникают на небольшое расстояние. В литосфере жизнь ограничивает прежде всего температура горных пород и подземных вод, которая постепенно возрастает с глубиной и на уровне 1,5 -15 км превышает 1000 С. Наибольшая глубина, на которой в породах земной коры были обнаружены живые бактерии, составляет 4 км.

В океана жизнь распространена до более значительных глубин и встречается даже на дне океанических впадин в 10-11 км от поверхности.

Верхняя граница жизни в атмосфере определяется уровнем УФ-радиации. На высоте 25-30 км большая часть УФ-излучения Солнца поглощает находящийся здесь озоновый слой. Если живые организмы поднимаются выше этого слоя, они погибают. Споры грибов и бактерий обнаруживают до высоты 20-22 км, но основная часть аэропланктонка сосредоточена в слое 1-1,5 км. В горах граница распространения наземной жизни – около 6 км над уровнем моря.



Концентрация и активность жизни особенно велика у поверхности Земли. Водоемы заселены по всей толще, со сгущениями у поверхности и у дна. На суше более 99 % живого вещества сосредоточено в слое на несколько метров вглубь и на несколько десятков метров (высокие деревья) вверх от поверхности.

Следовательно, жизнь наблюдается в тончайшей пленке планеты, где и протекают главные процессы взаимодействия живой и неживой природы.

Крайние пределы температуры, которые выносят некоторые формы жизни – от малых долей атмосферы на небольшой высоте до тысячи и более атмосфер на больших глубинах.

2. Учение В.И.Вернадского о биосфере

Учение о биосфере разработал в своих трудах В.И.Вернадский. Биосферой он называл оболочку Земли, в формировании которой живые организмы играли и играют основную роль. В.И.Вернадский выделял в ней 3 главных компонента: живые организмы или так называемое живое вещество, минеральные компоненты, включенные живым веществом в биогенный круговорот; продукты деятельности живого вещества, временно не участвующие в биогенном круговороте. Согласно В.И.Вернадскому, биосфера включает все части земной коры, на которые воздействовали живые организмы в течение всей геологической истории.

Биосфера - сложная система, которая состоит из многих компонентов, включающих всю живую и неживую природу. Она охватывает часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы, взаимосвязанные биогеохимическими циклами миграции веществ и энергии. Границы биосферы составляют: в атмосфере до озонового слоя (25 - 30 км), в гидросфере - до максимальных глубин - (около 11 км), в литосфере - до 8 - 10 м, реже до 3 км (нефтеносные слои воды).

В состав биосферы входят живые организмы (около 3 млн. видов), их остатки, биогенное вещество (продукты жизнедеятельности живых организмов - осадочные породы органического происхождения), биокосное вещество (продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами) и косное вещество (горные породы магматического и неорганического происхождения, а также переработанные и видоизмененные живыми организмами вещества космического происхождения).

Живое вещество (по В.И.Вернадскому) - это совокупность существующих или существовавших живых организмов, являющихся мощным геологическим фактором. В отличие от живых организмов, изучаемых на всех уровнях их организации, живое вещество как биогеохимический фактор, в понимании В.И.Вернадского, характеризуется элементарным химическим составом, массой и энергией; оно трансформирует солнечную энергию и вовлекает неорганическую материю в непрерывный круговорот. Через живое вещество многократно прошли атомы почти всех химических элементов. В конечном счете живое вещество определило состав атмосферы, почв и осадочных пород Планеты.

По мнению В.И.Вернадского, живое вещество аккумулирует энергию космоса и трансформирует в энергию земных процессов (химическую, механическую, тепловую, электрическую и т.д.), обеспечивает образование нового живого вещества, которое замещает не только отмирающие его массы, но и привносит новые качества, определяя тем самым эволюцию органического мира.

3. Функции живого вещества

 

Различают 5 главных функций живого вещества на Планете - энергетическую, газовую, концентрационную, окислительно-восстановительную и деструкционную.

Энергетическая функция заключается в осуществлении связи биосферно-планетарных явлений с космическим излучением, преимущественно с солнечной радиацией. В ее основе лежит фотосинтетическая деятельность зеленых растений, благодаря которой происходит аккумуляция солнечной энергии и ее перераспределение между компонентами биосферы. За счет энергии Солнца, накопленной зелеными растениями, протекают все жизненные явления на Земле.

Газовая функцияобеспечивает газовый состав биосферы, обусловливает миграцию и превращение газов. В процессе жизнедеятельности живого вещества создаются основные газы: азот, кислород, углекислый газ, метан и др.

Концентрационная функция проявляется в извлечении и накоплении живыми организмами биогенных элементов с окружающей среды, так как состав живого вещества значительно отличается от среднего состава Планеты. В нем преобладают легкие атомы водорода, кислорода, углерода, азота, кремния, серы, хлора, калия, кальция. Концентрация этих элементов в организмах намного выше, чем во внешней среде.

Окислительно-восстановительная функциязаключается в химическом превращении главным образом атомов с переменной валентностью (соединения железа, алюминия, марганца), что приводит к превращению большинства химических соединений. На поверхности Земли преобладают биогенные процессы окисления и восстановления.

Деструкционная функция обусловливает процессы, связанные с разложением организмов после их смерти. Происходит минерализация органического вещества или превращение живого вещества в косное, что приводит к образованию биогенного и биокосного вещества биосферы.

Таким образом, по современным представлениям, биосфера - это своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества Планеты, которая находится в непрерывном обмене с ним.

Живые организмы, получая поток энергии солнечного излучения, преобразуют его, вовлекают в химические реакции неорганическую материю и создают непрерывный круговорот веществ и энергии. По подсчетам В.И. Вернадского, биомасса всех организмов Земли достигает 1015 т, что составляет лишь 0,25% массы всей биосферы. Общая масса сухого вещества фитомассы около 2,42 *012 т, или 99% всего живого вещества на Земле. Роль живого вещества огромна. Нынешний газовый состав атмосферы, почвенный покров, полезные ископаемые— результат деятельности живого вещества прошлых эпох.

4. Биотический (биологический) круговорот в биосфере

 

Особенность биосферы, этой тонкой пленки планеты, где протекает жизнь, состоит в биотическом круговороте веществ.

В процессе эволюции за несколько миллиардов лет биосфере «отработана» совершенная замкнутая система, которая по упрощенной схеме выглядит следующим образом: растения потребляют углекислоту и выделяют кислород (продуценты); животные потребляют кислород, поедают растения и выделяют углекислоту (консументы); мертвых животных и растения («отходы производства») перерабатывают бактерии, грибы, простейшие, насекомые и другие редуценты (деструкторы), которые разрушают их, превращая в минеральные или простые органические соединения, потребляемые растениями. Непрерывность этого процесса обеспечивается распадом и разложением конечных продуктов.

Биологический круговорот —постоянная циркуляция вещества и движение энергии между почвой, растительным и животным миром и микроорганизмами, связанные с существованием и жизнедеятельностью организмов.

Основа биологического круговорота — образование в процессе фотосинтеза первичной растительной продукции, превращение ее во вторичную (в частности, в животную) и ее распад.

Активное движение органического вещества в биогеоценозах (экологических системах) осуществляется по пищевым (трофическим) цепям. Пищевой цепью называется ряд живых организмов, в котором одни поедают предшественников по цепи и, в свою очередь, оказываются съеденными теми, которые следуют за ними. Пищевые цепи первого типа начинаются с живых растений, которыми питаются травоядные животные. При этом выделяются следующие категории организмов:

1.Продуценты преимущественно хлорофиллоносные растения. Под влиянием солнечных лучей в процессе фотосинтеза растения (автотрофы) образуют органическое вещество, т. е. накапливают потенциальную энергию, содержащуюся в синтезированных углеводах, белках и жирах растений. В наземных экосистемах основные продуценты — зеленые цветковые растения, в водной среде —микроскопические планктонные водоросли.

2. Консументы гетеротрофные организмы, потребители органического вещества, созданного автотрофами. К первичным консументам относят травоядных животных, а также паразитов (животных и растения) зеленых растений. Среди травоядных животных в наземной среде преобладают насекомые, грызуны и копытные, а в водной — мелкие ракообразные и моллюски. Вторичные консументы питаются травоядными животными, т. е. относятся к плотоядным (или всеядным). Третичные консументы питаются вторичными (это не единственный их корм), т. е. хищниками (например, беркут поедает лисицу или волка), поэтому их называют иногда хищниками хищников. Состав вторичных и третичных консументов разнообразен: здесь и хищники, убивающие свою добычу, и паразиты, и трупоеды.

 

3. Биоредуценты (деструкторы) — организмы, разлагающие органические вещества, преимущественно микроорганизмы (бактерии, дрожжи, грибы-сапрофиты), поселяющиеся в трупах, экскрементах, на отмирающих растениях и разрушающие их.

Зеленые растения-автотрофы используют для процессов фотосинтеза 1...3% получаемой энергия Солнца; с учетом того, что 80…90%образовавшихся углеводов разрушается в процессе дыхания растения, эффективность фотосинтеза составляет 0,1...0,5%. Для образования биомассы травоядных животных затрачивается в среднем 1% энергий растительного корма (потери 99%).

Если зеленые растения в средней поглощают в день на 1 м2 1500 кал солнечной энергии, то 15 кал будет запасено в виде чистой растительной продуктивности; в тканях жвачных животных аккумулируется 1,5 кал на уровне первичных консументов и 0,15 кал - вторичных. Это и будет «пирамидой чисел», т. е. экологической пирамидой при схематическом изображении пути вещества и энергии в трофических системах.

Все наземные экосистемы производят около 50 млрд. т органического вещества в год; примерно такова же первичная продуктивность океанов. Следовательно, ежегодно в биосфере образуется примерно 100 млрд. т органического вещества. Биомасса наземных животных не превышает 1% биомассы растений, причем около 95% ее приходится на беспозвоночных.

Биомасса организмов формируется в основном из соединений кислорода, углерода и водорода. Поэтому в биологической круговорот входит, очевидно, цикл круговорота этих элементов в биосфере, вызванный рождением, питанием, гибелью иразложением организмов. Главный источник кислорода в атмосфере — растения, которые на суше производят 53*109 т этого газа в год, а в океанах—414*109 т. Скорость круговорота кислорода в биосфере, т. е. время, в течение которого весь он проходит через живое вещество — 2 тыс. лет.

Первое звено круговорота углерода — поглощение его растениями из углекислого газа, содержащегося в атмосфере, при фотосинтезе, второе—использование органических веществ животными при питании и частичное возвращение углерода в атмосферу при их дыхании. Кроме того, часть органического вещества (опад у растений, отбросы у животных), содержащего углерод, уходит в почву (с частичным возвратом в атмосферу). Скорость кругооборота углерода в биосфере 700 лет. Существуют также круговороты водорода, азота и других химических элементов, составляющие часть общего биологического круговорота.

5. Понятие о трофических цепях

Активное движение органического вещества в биогеоценозах (экологических системах) осуществляется по пищевым (трофическим) цепям.

Пищевой цепью (трофической) называется ряд живых организмов, в котором одни поедают предшественников по цепи и, в свою очередь, оказываются съеденными теми, которые следуют за ними.

Пищевые цепи первого типа начинаются с живых растений, которыми питаются травоядные животные. При этом выделяются следующие категории организмов:

1.Продуценты преимущественно хлорофиллоносные растения. Под влиянием солнечных лучей в процессе фотосинтеза растения (автотрофы) образуют органическое вещество, т. е. накапливают потенциальную энергию, содержащуюся в синтезированных углеводах, белках и жирах растений. В наземных экосистемах основные продуценты — зеленые цветковые растения, в водной среде —микроскопические планктонные водоросли.

2. Консументы гетеротрофные организмы, потребители органического вещества, созданного автотрофами. К первичным консументам относят травоядных животных, а также паразитов (животных и растения) зеленых растений. Среди травоядных животных в наземной среде преобладают насекомые, грызуны и копытные, а в водной — мелкие ракообразные и моллюски. Вторичные консументы питаются травоядными животными, т. е. относятся к плотоядным (или всеядным). Третичные консументы питаются вторичными (это не единственный их корм), т. е. хищниками (например, беркут поедает лисицу или волка), поэтому их называют иногда хищниками хищников. Состав вторичных и третичных консументов разнообразен: здесь и хищники, убивающие свою добычу, и паразиты, и трупоеды.

 

3. Биоредуценты (деструкторы) — организмы, разлагающие органические вещества, преимущественно микроорганизмы (бактерии, дрожжи, грибы-сапрофиты), поселяющиеся в трупах, экскрементах, на отмирающих растениях и разрушающие их.

Зеленые растения-автотрофы используют для процессов фотосинтеза 1...3% получаемой энергия Солнца; с учетом того, что 80…90%образовавшихся углеводов разрушается в процессе дыхания растения, эффективность фотосинтеза составляет 0,1...0,5%. Для образования биомассы травоядных животных затрачивается в среднем 1% энергий растительного корма (потери 99%).

Если зеленые растения в средней поглощают в день на 1 м2 1500 кал солнечной энергии, то 15 кал будет запасено в виде чистой растительной продуктивности; в тканях жвачных животных аккумулируется 1,5 кал на уровне первичных консументов и 0,15 кал - вторичных. Это и будет «пирамидой чисел», т. е. экологической пирамидой при схематическом изображении пути вещества и энергии в трофических системах.

 

6. Эволюция биосферы

Жизнь на Земле возникла задолго до образования кислородной атмосферы. Вероятно, первые организмы и фотосинтезиующие растения появились в воде, где жизнь была лучше защищена от ультрафиолетового излучения, пока не образовался озонный экран. Видимо, с момента возникновения первых живых организмов до образования кислородной атмосферы прошло не меньше миллиарда лет. Кислородная атмосфера сформировалась около 3,5 млрд. лет тому назад, когда и сложился биотический круговорот.

Дальнейшая эволюция биосферы приводила к усложнению ее структуры в результате появления многоклеточных и прогрессивного развития различных групп растений и животных. При этом в процессе эволюции соотношение различных групп организмов отражало их взаимозависимость.

По современному мнению, возраст Земли оценивается в 4,55 млрд. лет, а сохранившиеся древнейшие участки земной коры - в 4 млрд. лет.

На основании данных палеонтологии, геохимии и космохимии эволюцию биосферы Земли можно представить в виде 3 последовательно сменяющих друг друга этапов.

Первый этап-восстановительный. Начался в космических условиях и завершился появлением на Земле первой гетеротрофной биосферы. На этом этапе протекали каталитические и радиохимические реакции синтеза сложных органических соединений, отсутствовал свободный кислород, основным источником живых организмов была радиация. Первым этапом эволюции было возникновение жизни из неживой природы. Органические молекулы подвергаются процессам синтеза и разрушения, причем продукты распада молекул служили материалом для построения других соединений. Этот период, вероятно, был коротким во времени.

Второй этап-слабоокислительный. Характеризуется появлением фотосинтеза. Продолжался в интервале времени 4 - 1,8 млрд. лет тому назад. Свободного кислорода образовывалось мало, атмосфера состояла преимущественно из углекислого газа. Развитие организмов ограничивалось прокариотами.

Третий этап - окислительный. Появилась фотоавтотрофная биосфера. Начался с медленного возрастания содержания кислорода в атмосфере и сменился значительным ускорением эволюции организмов. На этом этапе образовалось количество кислорода, достаточное для появления растительного покрова и животных на континентах, что резко увеличило продукцию фотосинтеза.

Так как биологическая эволюция - процесс необратимый, то она определила необратимость эволюции всей биосферы и подготовила биосферу к новому состоянию - ноосфере или сфере Разума, когда все изменения в биосфере должны управляться творческой работой человека.

 

 

7. Концепция функционирования экосистемы

Термин “экосистема” впервые было введен в научный обиход английским ботаником А. Тенсли в 1935 г., который предложил считать экосистемой любую совокупность совместно обитающих организмов (автотрофов и гетеротрофов) и необходимую для их существования абиотическую среду.

Экологическая система (экосистема) — взаимосвязанная единая функциональная совокупность организмов и абиотической среды их обитания. Оба составляющих компонента экосистемы (биотический и абиотический) имеют обоюдное влияние друг на друга и необходимы для поддержания функционирования системы.

Основу экологической системы, как и биосферы (глобальной экосистемы) в целом, составляет круговорот веществ под воздействием энергии. Все живые организмы, населяющие экосистему, выполняют в ней строго определенную функцию: одни (продуценты) перерабатывают накапливают солнечную энергию в органоминеральных веществах, другие (консументы) потребляют эти вещества и накопленную энергию, а третьи (биоредуценты) обеспечивают минерализацию органического вещества, завершая, таким образом, внутренний круговорот веществ в системе.

Для каждой экологической системы свойственны определенные пищевые цепи. В то же время общий принцип экосистемы состоит в том, что одни организмы служат пищей другим, которые, в свою очередь, служат пищей третьим и т.д.; каждый биотический компонент, играя в экосистеме строго определенную роль, занимает в ней и вполне определенную экологическую нишу.

В ходе геологической истории Земли в биосфере установилось равновесие между экологическими системами и внутри них; сложился непрерывный обмен веществ и энергии как между отдельными составными компонентами внутри экосистем, так и с другими экосистемами (биогеоценозами). Изменения во внешней, абиотической среде вызывают со стороны экосистемы ответную реакцию, которая может привести либо к устранению этих изменений, либо вызвать перестройку самой экосистемы. В ходе эволюционного развития Земли природные условия изменялись неоднократно, и экосистемы соответственно реагировали на эти изменения. На протяжении столетий и тысячелетий экологические системы нивелировали или полностью устраняли последствия хозяйственной деятельности человека.

Во второй половине XXв. экосистемы часто не справляются с усложнившимися нагрузками антропогенного характера. Дело в том, что в ряде районов Земли устойчивость экологических систем настолько нарушилась, что их саморегуляция не в состоянии восстановить утраченное равновесие.

8. Структура экосистемы

Составляющие экосистемы - это поток энергии, круговорот веществ, биотический и абиотический компоненты и управляющие петли обратной связи.

Общей чертой всех экосистем является взаимодействие автотрофных и гетеротрофных компонентов. Организмы, участвующие в различных процессах круговорота, разделены в пространстве: автотрофные процессы наиболее активно протекают в верхнем ярусе, куда проникает солнечный свет, гетеротрофные - в нижнем ярусе, где в почвах и осадках накапливаются органические вещества.

Сточки зрения трофической структуры (от греч. trophe – питание) экосистему можно разделить на два яруса:

1) верхний автотрофный (самостоятельно питающийся) ярус, или «зеленый пояс», включающий растения, содержащие хлорофилл, где преобладают фиксация энергии света, использование простых неорганических соединений и накопление сложных органических соединений.

2) нижний гетеротрофный (питаемый другими) ярус, или «коричневый пояс» почв и осадков, разлагающихся веществ, корней и т.д., в котором преобладают использование, трансформация и разложение сложных соединений. С биологической точки зрения в составе экосистемы удобно выделять следующие компоненты:

1) неорганические вещества (C, N, CO2, H2O и др.), включающиеся в круговороты; 2) органические соединения (белки, углеводы, липиды, гумусовые вещества и т.д.), связывающие биотическую и абиотическую части;

3) воздушную, водную и субстратную среду, включающую климатический режим и другие физические факторы;

4) продуцентов, автотрофных организмов, в основном зеленые растения, которые могут производить пищу из простых неорганических веществ;

5) консументов, в основном животных, питающихся растениями и другими животными; 6) деструкторов, в основном бактерий и грибов, получающих энергию путем разложения мертвых тканей. В результате деятельности деструкторов высвобождаются неорганические элементы питания, пригодные для продуцентов.

9. Классификация экосистем

Наиболее распространены два типа признаков для классификации экосистем - функциональные и структурные.

Пример классификации экосистем по структурному признаку - разделение экосистем по биомам, или биомная классификация. Биом – совокупность сообществ, возникшая в результате взаимодействия регионального климата, биоты и субстрата. В наземных экосистемах признаком классификации является растительность, которая отражает особенности организмов, климатических, почвенных и гидрологических условий. В водных экосистемах, где растительность менее заметна, в основе классификации используются главные физические черты. Например, лентические и лотические воды, открытый океан и т.д.

В зависимости от природных и климатических условий можно выделить следующие типы природных экосистем (по Ю.Одуму, 1986):

Наземные биомы:

- тундра: арктическая и альпийская;

- бореальные хвойные леса;

- листопадный лес умеренной зоны;

- тропический грасленд и савана;

- чапараль - районы с дождливой зимой и засушливым летом;

- пустыня: тропическая и кустарниковая;

- полувечнозеленый тропический лес: выраженный влажный и сухой сезоны;

- вечнозеленый тропический дождевой лес.

Типы пресноводных экосистем:

- лентические (стоячие воды): озера, пруды;

- лотические (текучие воды): реки, ручьи;

- заболоченные угодья: болота и болотистые леса;

Типы морских экосистем:

- открытый океан (пелагическая)

- воды континентального шельфа (прибрежные воды);

- районы апвеллинга (плодородные районы с продуктивным рыболовством);

- эстуарии (прибрежные бухты, проливы, устья рек, соленые марши и т.д.).

В этой классификации наземные биомы выделяют по естественным или исходным чертам растительности, а типы водных экосистем - по гидрологическим и физическим особенностям.

 

 

10. Экологические факторы, концепция лимитирующих факторов

Экологические факторы.

Экологический фактор - это любое условие среды, способное оказывать прямое или косвенное влияние на живые организмы.

В свою очередь организм реагирует на экологический фактор приспособительными реакциями.

Экологические факторы среды, с которыми связан любой организм, делятся на 2 категории:

1) Факторы неживой природы (абиотические): климатические (свет, влага, давление, температура, движение воздуха), почвенные (состав, влагоемкость, плотность, воздухопроницаемость), орографические (рельеф, высота над уровнем моря, экспозиция склона), химические (составы газового воздуха, солевой состав воды, кислотность).

2) Факторы живой природы (биотические)- это совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на жизнедеятельность других, а также на неживую природу. К ним относятся: фитогенные (растения), зоогенные (животные), микробиогенные (вирусы, бактерии), антропогенные (деятельность человека).





sdamzavas.net - 2017 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...