Экология как наука, история её развития.

Экология как наука, история её развития.

 

Существование человека неразрывно связано с определенными условиями среды (температура, влажность, состав воздуха, качество воды, состав пищи и другие). Эти требования вырабатывались в течение многих тысячелетий существования человека. Понятно, что при резком изменении этих факторов или отклонении от нормы, требуемой организму, возможны нарушение обмена веществ и как крайний случай - несовместимость с жизнью человека. Невозможно охранять природу, пользоваться ею, не зная как она устроена, по каким законам существует и развивается, как реагирует на воздействие человека. Все это и является предметом экологии.

Термин "экология" предложен в 1869 г. Э. Геккелем (немецкий естествоиспытатель). От греческого "ойкос" -дом, "логос" - наука. Как научная дисциплина экология имеет более чем вековую историю. Систематические экологические исследования ведутся приблизительно с 1900 г. Основы экологии можно найти в научных трудах ученых прошлого века (Гумбольт, Ламарк, Северцев и др.). В развитие экологии значительный вклад внесли русские ученые Вавилов, Сукачев, Павловский, Шварц, Колесников и др. Особая заслуга принадлежит В. И. Вернадскому.

В современном понимании экология - наука о взаимоотношениях между живыми организмами и средой их обитания.

 

Выделяют экологию человека, животных, растений и микроорганизмов. В свою очередь эти группы можно исследовать на уровне особи или сообщества, а можно в воде, почве или атмосфере, в земных условиях или космических. Живые организмы обитают в условиях тропической, умеренной и полярной зон, а также в естественных, измененных или антропогенных (созданных человеком) системах, кроме этого можно учитывать загрязненность или незагрязненность среды.

Экология как наука основана на разных отраслях биологии (физиология, генетика, биофизика), связана с другими науками (физика, химия, математика, география, геология), использует их методы и термины. В связи с этим появились в последние годы понятия"географическая экология", "химическая экология", "математическая экология", "космическая экология", и "экология человека". Взаимоотношениями человека и машины в условиях промышленных предприятий занимается охрана труда.

История

Экология своими корнями уходит в далекое прошлое. Потребность в знаниях, определяющих «отношение живого к окружающей его органической и неорганической среде», возникла очень давно. Достаточно вспомнить труды Аристотеля (384— 322 до н. э.), Плиния Старшего (23—79 н. э.), Р. Бойля (1627— 1691) и др., в которых обсуждалось значение среды обитания в жизни организмов и приуроченность их к определенным местообитаниям, чтобы убедиться в этом.

Первый этап

- зарождение и становление экологии как науки (до 60-х гг. XIX в.). На этом этапе накапливались данные о взаимосвязи живых организмов со средой их обитания, делались первые научные обобщения.

Второй этап

- оформление экологии в самостоятельную отрасль знаний (после 60-х гг. XIX в

Третий этап

-(50-е гг. XX в. — до настоящего времени) — превращение экологии в комплексную науку, включающую в себя науки об охране природной и окружающей человека среды. Из строгой биологической науки экология превращается в «значительный цикл знания, вобрав в себя разделы географии, геологии, химии, физики, социологии, теории культуры, экономики...»

 

Цели и задачи экологии

задачи экологии применительно к деятельности инженера промышленного производства или проектно-конструкторского предприятия могут быть следующие:

Оптимизация технологических, и конструкторских решений, исходя из минимального ущерба окружающей среде.

Прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий действующих и проектируемых предприятий на окружающую среду.

Своевременное выявление и корректировка технологических процессов, наносящих ущерб окружающей среде.

Создание систем переработки отходов промышленности.

 

Задачи теоретической экологии:

1. разработать стереотип устойчивости экосистемы;

2. изучение механизмов адаптации к среде;

3. регуляция численности популяций;

4. изучение биологического разнообразия и механизмов его поддержания;

5. исследование продуктивности процессов в экосистеме;

6. исследование процессов, протекающих в биосфере, с целью поддержания ее устойчивости;

7. моделирование состояния биосферы и экосистем с учетом глобальных биосферных процессов.

Задачи прикладной экологии:

1. прогнозирование и оценка возможности отрицательных последствий для окружающей среду, проектирование и конструирование предприятий;

2. оптимизация инженерных, технологических и проектно-конструкторских решений, исходя из минимального ущерба окружающей среде;

3. улучшение качества окружающей среды;

4. сохранение, воспроизводство и рациональное использование природных ресурсов;

5. стратегическая задача – развитие теории взаимоотношения природы и общества на основе нового взгляда, рассматривающего человеческое общество как неотъемлемую часть биосферы.

 

3. Системные законы экологии

1. З.внутреннего динамического равновесия: наличие ответных реакций отдельных или взаимосвязанных природных систем и их иерархий при воздействии на них вещества, энергии или информации; любое изменение среды ведет к ответным реакциям, стремящимся нейтрализовать результаты изменений.

2. З.толерантности — определяет положение, по которому любой избыток вещества или энергии оказывается загрязняющим окружающую среду. Другая формулировка: фактором, ограничивающим процветание организма или вида, может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия.

3. З.максимизации энергии: выживание или сохранение одной системы в соперничестве с другими определяется наилучшей организацией поступления в нее энергии и использования ее максимального количества наиболее эффективным способом.

4. З.минимума: выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей; жизненные возможности организма или системы лимитируют экологические факторы, количество и качество которых близки к необходимому организму или экосистеме минимуму.

5. З.ограниченности природных ресурсов: все природные ресурсы Земли являются конечными.

6. З.пирамиды энергий, правило 10%: каждый последующий трофический уровень ассимилирует не более 10% энергии предыдущего.

7. З.заполнения экологической ниши: при заполнении ниши исчезнувший или уничтоженный вид заменяется функционально близким или экологически аналогичным видом.

Законы Коммонера: «Все связанно со всем» (близок по смыслу к закону внутреннего динамического равновесия, это положение об экосистемах и биосфере), «Все должно куда-то деваться» (это положение о хозяйственной деятельности человека, отходы от которой неизбежны, и потому нужно думать и об уменьшении их количества и о последующем захоронении этих отходов), «Природа знает лучше» (предостерегает нас от самоуверенности), «Ничто не дается даром» (за все надо надо платить)-этот закон снова затрагивает проблемы, которые обобщают закон внутреннего динамического равновесия, законы константности и развития естественной системы, по этому закону Б.Коммонера мы должны возвращать природе то, что берем у нее, иначе катастрофа с течением времени неминуема. Согласно этим законам, глобальная экосистема представляет собой единое целое, в рамках которого ничего не может быть выиграно или потеряно и которое не может явиться объектом всеобщего улучшения; все, что может быть извлечено из глобальной экосистемы человеческим трудом, должно быть возмещено.

 

Экологические проблемы НТП

Научно-техническая революция порождает невиданные ранее возможности для покорения и эксплуатации сил природы, а вместе с тем и для ее загрязнения и разрушения. Она интенсифицирует и ускоряет размах индустриальной деятельности человека, придает ей глобальный характер, многие страны в различных частях планеты стали на путь интенсивного промышленного развития. По некоторым данным общий объем продукции в развитых странах удваивается каждые 15 лет, соответственно увеличивается количество отходов деятельности человека, засоряющих природную среду.

Процесс получения и отдачи веществ и энергии должен быть сбалансированным, иначе нарушается экологическое равновесие в природе. Важной проблемой, порождаемой научно-техническим прогрессом, становится создание экологически безвредных производств. Для этого необходимо от созерцательно-констатирующей экологической позиции переходить к общей стратегии взаимно координированных и взаимно уравновешенных отношений техники и природы. Задача состоит в том, чтобы по возможности сокращать использование природных ресурсов, а там, где это практически нереально, развитие производства обеспечивать с наибольшей экономической и экологической эффективностью. Отсюда вытекает необходимость рассмотрения современного производства и живой природы как единой эколого-экономической системы.

Основная причина отрицательного воздействия производства на окружающую среду состоит не столько в росте масштабов производства, сколько в несовершенстве его технологии. Два принципиально различных пути борьбы с загрязнением среды состоят в очистке вредных выбросов и в более радикальном и экономичном пути создания безотходных или малоотходных технологических процессов. Однако к выбору пути следует подходить только после тщательного эколого-экономического анализа, так как возникает проблема поиска допустимого уровня загрязнений и экономического оптимума затрат на предотвращение загрязнений с учетом экономии от снижения ущерба от загрязнений и с учетом повышения затрат на создание новой безотходной технологии.

Советской науке предстоит создать систему эколого-экономических моделей для оптимального управления процессами природопользования. Это даст возможность совместной оптимизации экономической и экологической систем, т. е. обеспечит рост общественного производства и повысит его эффективность при жестких экологических ограничениях.

 

Эволюция биосферы.

появление простейших клеток-прокариотов;

появление значительно более высокоорганизованных клеток-эукариотов;

объединение клеток-эукариотов с образованием многоклеточных организмов, функциональная дифференциация клеток в организмах;

появление организмов с твердыми скелетами, открывшее путь к образованию высших животных;

возникновение у высших животных развитой нервной системы и формирование мозга как центра сбора, переработки, хранения информации и управления на ее основе функционированием и поведением организмов;

формирование разума как высшей формы деятельности мозга;

образование социальной общности людей – носителей разума.

Вершиной направленного развития биосферы стало появление в ней человека, открывшего эру становления на Земле разума. В истории Земли был период чисто геологической эволюции, его сменил период геолого-биологической эволюции, а с появлением человека открылся период психогенеза – духовной эволюции.

Роль организмов в эволюции биосферы.

Криптозой

архей (3,6 – 2,6 млрд лет тому назад)

господство одноклеточных(сине-зеленые водоросли, прокариоты)

протерозой (2,6млрд. – 600 млн. л. т. н.)

низшие формы растений, колонии организмов, эукариоты

возникновение фотосинтеза привело к накоплению в воде и атмосфере свободного кислорода, благодаря чему возник и начал развиваться процесс аэробного дыхания – одна из основ прогрессивной эволюции живых организмов Земли.

-появление первых живых систем

-возникновение механизма репликации

-формирование клетки(мембрана)

-поверхностный слой водоемов – зарождение жизни (планктон, бактерии)

Фанерозой

2.1 палеозой

2.1.1 кембрий(680 млн. л. т. н.)

2.1.2 ордовик(490 млн. л. т. н.)

процветание всех отделов водорослей и морских беспозвоночных. Наиболее распространены трилобиты.

2.1.3 силур(440 млн. л. т. н.)

выход растений на сушу – появление псилофитов. Появление первых наземных беспозвоночных; в морях – первых позвоночных (бесчелюстных щитковых).

2.1.4 девон(400 млн. л. т. н.)

папортникообразные, первые земноводные – стегоцефалы.

2.1.5 карбон(350 млн. л. т. н.)

расцвет земноводных, появление первых пресмыкающихся, первые крылатые насекомые, пауки, скорпионы.

2.1.6 пермь(280 – 230 млн. л. т. н.)

распространение голосеменных растений, развитие пресмыкающихся, насекомых.

2.2 мезозой

2.2.1 триас(230 млн. л. т. н.)

развитие голосеменных и пресмыкающихся(динозавры), появление первых млекопитающих, настоящих костистых рыб.

2.2.2 юрский(190 млн. л. т. н.)

господство голосеменных растений, появление первых птиц; первых покрытосеменных растений.

2.2.3 меловой(65-70 млн. л. т. н.)

распространение покрытосеменных растений, широкое распространение насекомых; постепенное вымирание рептилий(динозавров)

2.3 кайнозой

2.3.1 палеогеновый(60 млн. л. т. н.)

появление парапитеков и дриопитеков

2.3.2 неогеновый(25 млн. л. т. н.)

современные семейства млекопитающих, господство покрытосеменных растений

2.3.3 антропогеновый(2,5 млн. л. т. н.)

появление и развитие человека

Популяция. Естественная совокупность свободно скрещивающихся особей одного вида, которые длительно существуют на относительно обособленной территории, называютпопуляцией. Популяции имеют сложную структуру по полу и возрасту, различны по занимаемой площади и числу особей. Численность популяции может резко колебаться по сезонам и годам. Популяция, хотя и обладает потенциальной возможностью неограниченного увеличения численности, обычно насчитывает столько особей, сколько их может прокормиться на занимаемой территории. Например: годы, урожайные для хвойных, отличаются высокой численностью кедровок, белок и соболей, питающихся их семенами.

Главный фактор, определяющий единство популяции и ее обособленность от других, - свободное скрещивание особей. Отсюда большое сходство особей внутри одной популяции по сравнению с особями других популяций. Обособленность популяций поддерживается географической (горы, реки, пустыни) и биологической (разные сроки цветения или спаривания, половая несовместимость и др.) изоляцией. В популяции происходят все первичные эволюционные процессы, это основная единица эволюции.

 

Биогеоценоз и экосистема

Близким по значению понятием является экосистема — система, состоящая из взаимосвязанных между собой сообществ организмов разных видов и среды их обитания. Экосистема — более широкое понятие, относящееся к любой подобной системе. Биогеоценоз, в свою очередь — класс экосистем, экосистема, занимающая определенный участок суши и включающая основные компоненты среды — почву, подпочву, растительный покров, приземный слой атмосферы. Не являются биогеоценозами водные экосистемы, большинство искусственных экосистем. Таким образом, каждый биогеоценоз — это экосистема, но не каждая экосистема — биогеоценоз. Для характеристики биогеоценоза используются два близких понятия: биотоп и экотоп(факторы неживой природы:климат, почва). Биотоп — это совокупность абиотических факторов в пределах территории, которую занимает биогеоценоз организмы из других биогеоценозов. По содержанию экологический термин «биогеоценоз» идентичен физико-географическому термину фация.

Свойства биогеоценоза

 естественная, исторически сложившаяся система

 система, способная к саморегуляции и поддержанию своего состава на определенном постоянном уровне

 характерен круговорот веществ

 открытая система для поступления и выхода энергии, основной источник которой — Солнце

Основные показатели биогеоценоза

 Видовой состав — количество видов, обитающих в биогеоценозе.

 Видовое разнообразие - количество видов, обитающих в биогеоценозе на единицу площади или объема.

В большинстве случаев видовой состав и видовое разнообразие количественно не совпадают и видовое разнообразие напрямую зависит от исследуемого участка.

 Биомасса — количество организмов биогеоценоза, выраженное в единицах массы. Чаще всего биомассу подразделяют на:

 биомассу продуцентов

 биомассу консументов

 биомассу редуцентов

 Продуктивность

 Устойчивость

 Способность к саморегуляции

 

Лучистая энергия солнца.

Солнечная энергия - основной источник энергии на Земле, основа существования живых организмов (процесс фотосинтеза).

Количество энергии у поверхности Земли -21*10 кДж (солнечная постоянная) - на экваторе. Уменьшается к полюсам примерно в 2,5 раза. Также количество солнечной энергии зависит от периода года, продолжительности дня, прозрачности атмосферного воздуха (чем больше пыли, тем меньше солнечной энергии). На основе радиационного режима выделяют климатические пояса (тундра, леса, пустыни и т. д.) (солнечная радиация).

Освещение.

Определяется годовой суммарной солнечной радиацией, географическими факторами (состояние атмосферы, характер рельефа и т. д.). Свет необходим для процесса фотосинтеза, определяет сроки цветения и плодоношения растений. Растения подразделяются на:

• светолюбивые - растения открытых, хорошо освещаемых мест.

• тенелюбивые - нижние ярусы лесов (зеленый мох, лишайник).

• тепловыносливые - хорошо растут на свету, но и переносят затенение. Легко подстраиваются под световой режим.

Для животных световой режим не является таким необходимым экологическим фактором, но он необходим для ориентации в пространстве. Поэтому различные животные имеют различную конструкцию глаз. У беспозвоночных - самая примитивная, у других - очень сложная. У постоянных обитателей пещер может отсутствовать. Гремучие змеи видят ИК часть спектра, поэтому охотятся ночью.

3) Температура:

Один из важнейших абиотических факторов, прямо или косвенно влияющий на живые организмы.

Температура непосредственно влияет на жизнедеятельность растений и животных, определяя их активность и характер существования в конкретных ситуациях. Особенно заметное влияние оказывает t на фотосинтез, обмен веществ, потребление пищи, двигательную активность и размножение. Например, у картофеля максимальная продуктивность фотосинтеза при +20°С, а при t = 48°С полностью прекращается.

В зависимости от характера теплообмена с внешней средой организмы делятся:

• Организмы, t тела= t окр. среды, т.е. меняется в зависимости от t окр. среды, нет механизма терморегуляции (эффективного) (растения, рыбы, рептилии...). Растения понижают t за счет интенсивного испарения, при достаточном снабжении водой в пустыне - уменьшается t листьев на 15°С.

• Организмы с постоянной t тела (млекопитающие, птицы), более высокий уровень обмена веществ. Существует теплоизоляционный слой (мех, перья, жир), t =36-40°C.

• Организмы с постоянной t (еж, барсук, медведь), период активности - const t тела, зимняя спячка -значительно уменьшается (низкие потери энергии).

Также выделяют организмы, способные переносить колебания t0 в широких пределах (лишайники, млекопитающие, северные птицы) и организмы, существующие только при определенных t0 (глубоководные организмы, водоросли полярных льдов).

Атмосферные осадки.

Это дождь, снег, град и т.д. Осадки определяют перемещение и распространение вредных веществ в окружающей среде. В общем кругообороте воды наиболее подвижны именно атмосферные осадки, т.к. объем влаги в атмосфере меняется 40 раз за год. Основными условиями возникновения осадков являются: t воздуха, движение воздуха, рельеф.

Существуют следующие зоны в распределении осадков по земной поверхности:

• Влажная экваториальная.

Осадков более 2000 мм/год, например, бассейны рек Амазонка, Конго. Максимальное количество осадков - 11684 мм/год - о. Кауан (Гавайские о-ва), 350 дней в году дождь. Здесь располагаются влажные экваториальные леса - самый богатый тип растительности (более 50 тысяч видов).

• Сухая зона тропического пояса.

Осадков менее 200 мм/год. Пустыня Сахара и т.д. Минимальное количество осадков - 0,8 мм/год -пустыня Атакама (Чили, Южная Америка).

• Влажная зона умеренных широт. Осадков более 500 мм/год. Лесная зона Европы и Северная Америка, Сибирь.

• Полярная область.

Незначительное количество осадков до 250 мм/год (низкая t воздуха, низкое испарение). Арктические пустыни с бедной растительностью.

Газовый состав атмосферы.

Состав ее практически постоянен и включает: N -78%, 0 -20,9%, СО, аргон и другие газы, частицы воды, пыль.

Давление атмосферы.

760 мм ртутного столба или 10 кПа.

 

Почва - это поверхностный слой земной коры, который образуется и развивается в результате взаимодействия растений, животных, микроорганизмов, горных пород и является самостоятельной экосистемой.

Важнейшим свойством почвы является плодородие, т.е. способность обеспечивать рост и развитие растений. Это свойство представляет исключительную ценность для жизни человека и других организмов. Почва является составной частью биосферы и энергии в природе, поддерживает газовый состав атмосферы.

Состав почвы: твердые частицы, жидкость (вода), газы (воздух О, СО), растения, животные, микроорганизмы, гумус.

Толщина почвы; 0,5м - тундра, горы; 1,5м - на равнинах.

1 см почвы образуется примерно за 100 лет.

Типы почв:

1. Арктические и тундровые (гумус до 1 -3 %)

2. Подзолистые (хвойные леса, гумус до 4-5 %).

3. Черноземы (степь, гумус до 10 %).

4. Каштановые (в сухих степях, гумус до 4%).

5. Серо-бурые (пустыни субтропические пояса, гумус 1-1,5%).

6. Красноземы (влажный субтропический лес, гумус до 6 %).

Гумус - органическое вещество почвы, образующееся в результате биохимического разложения растительных и животных остатков, которое накапливается в верхнем слое почвы. Главный источник питания растений. В гумусе также накапливаются микроэлементы. В процессе эксплуатации почв количество гумуса уменьшается, поэтому необходимо вносить различные удобрения.

Физические свойства:

1. Механический состав - содержание частиц различного диаметра.

2. Плотность.

3. Теплоемкость, теплопроводность.

4. Влагоемкость, влагопроницаемость (у песка выше влагопроницаемость, у глины - влагопроницаемость).

5. Аэрация - способность насыщения почвы воздухом (рыхление почвы).

Химические свойства:

1. Химический состав:

• до 50 % SiO - кремнезем

• до 25 % Al O - глинозем

• до 10 %- оксиды Fe

• остальное - оксиды Са, К, Mg, Р и т.д.

2. Кислотность

3. Содержание вредных веществ (пестициды, тяжелые металлы и т.д.)

Влияние кислотности на растения:

• Обитают на кислых почвах (рН < 6,7) карликовая береза, хвощ, некоторые мхи

• Нейтральные (рН 6,7 - 7,0) большинство культурных растений

• На щелочных почвах (рН > 7,0) степные и пустынные растения (лебеда, полынь...)

• Могут расти на любой почве (ландыш, вьюн, земляника лесная)

 

 

Освещение.

Определяется годовой суммарной солнечной радиацией, географическими факторами (состояние атмосферы, характер рельефа и т. д.). Свет необходим для процесса фотосинтеза, определяет сроки цветения и плодоношения растений. Растения подразделяются на:

• светолюбивые - растения открытых, хорошо освещаемых мест.

• тенелюбивые - нижние ярусы лесов (зеленый мох, лишайник).

• тепловыносливые - хорошо растут на свету, но и переносят затенение. Легко подстраиваются под световой режим.

Для животных световой режим не является таким необходимым экологическим фактором, но он необходим для ориентации в пространстве. Поэтому различные животные имеют различную конструкцию глаз. У беспозвоночных - самая примитивная, у других - очень сложная. У постоянных обитателей пещер может отсутствовать. Гремучие змеи видят ИК часть спектра, поэтому охотятся ночью.

3) Температура:

Один из важнейших абиотических факторов, прямо или косвенно влияющий на живые организмы.

Температура непосредственно влияет на жизнедеятельность растений и животных, определяя их активность и характер существования в конкретных ситуациях. Особенно заметное влияние оказывает t на фотосинтез, обмен веществ, потребление пищи, двигательную активность и размножение. Например, у картофеля максимальная продуктивность фотосинтеза при +20°С, а при t = 48°С полностью прекращается.

В зависимости от характера теплообмена с внешней средой организмы делятся:

• Организмы, t тела= t окр. среды, т.е. меняется в зависимости от t окр. среды, нет механизма терморегуляции (эффективного) (растения, рыбы, рептилии...). Растения понижают t за счет интенсивного испарения, при достаточном снабжении водой в пустыне - уменьшается t листьев на 15°С.

• Организмы с постоянной t тела (млекопитающие, птицы), более высокий уровень обмена веществ. Существует теплоизоляционный слой (мех, перья, жир), t =36-40°C.

• Организмы с постоянной t (еж, барсук, медведь), период активности - const t тела, зимняя спячка -значительно уменьшается (низкие потери энергии).

Также выделяют организмы, способные переносить колебания t0 в широких пределах (лишайники, млекопитающие, северные птицы) и организмы, существующие только при определенных t0 (глубоководные организмы, водоросли полярных льдов).

4) Влажность атмосферного воздуха. Наиболее богаты влагой нижние слои атмосферы (до высоты 2 км), где концентрируется до 50 всей влаги, количество водяного пара, содержащегося в воздухе, зависит от t воздуха.

Атмосферные осадки.

Это дождь, снег, град и т.д. Осадки определяют перемещение и распространение вредных веществ в окружающей среде. В общем кругообороте воды наиболее подвижны именно атмосферные осадки, т.к. объем влаги в атмосфере меняется 40 раз за год. Основными условиями возникновения осадков являются: t воздуха, движение воздуха, рельеф.

Существуют следующие зоны в распределении осадков по земной поверхности:

• Влажная экваториальная.

Осадков более 2000 мм/год, например, бассейны рек Амазонка, Конго. Максимальное количество осадков - 11684 мм/год - о. Кауан (Гавайские о-ва), 350 дней в году дождь. Здесь располагаются влажные экваториальные леса - самый богатый тип растительности (более 50 тысяч видов).

• Сухая зона тропического пояса.

Осадков менее 200 мм/год. Пустыня Сахара и т.д. Минимальное количество осадков - 0,8 мм/год -пустыня Атакама (Чили, Южная Америка).

• Влажная зона умеренных широт. Осадков более 500 мм/год. Лесная зона Европы и Северная Америка, Сибирь.

• Полярная область.

Незначительное количество осадков до 250 мм/год (низкая t воздуха, низкое испарение). Арктические пустыни с бедной растительностью.

6) Газовый состав атмосферы. Состав ее практически постоянен и включает: N -78%, 0 -20,9%, СО , аргон и другие газы, частицы воды, пыль.

Пастбищные

В пастбищной трофической цепи (цепь выедания) основу составляют автотрофные организмы, затем идут потребляющие их растительноядные животные (например, зоопланктон, питающийся фитопланктоном), потом хищники (консументы) 1-го порядка (например, рыбы, потребляющие зоопланктон), хищники 2-го порядка (например, щука, питающаяся другими рыбами). Особенно длинны трофические цепи в океане, где многие виды (например, тунцы) занимают место консументов 4-го порядка.

Детритные

В детритных трофических цепях (цепи разложения), наиболее распространённых в лесах, большая часть продукции растений не потребляется непосредственно растительноядными животными, а отмирает, подвергаясь затем разложению организмами и минерализации. Таким образом, детритные трофические цепи начинаются от детрита (органических останков), идут к микроорганизмам, которые им питаются, а затем к детритофагам и к их потребителям — хищникам. В водных экосистемах (особенно в эвтрофных водоёмах и на больших глубинах океана) часть продукции растений и животных также поступает в детритные трофические цепи.

В масштабах планеты, на долю цепей выедания приходится около 10 % энергии и веществ запасённых автотрофами, 90 % же процентов включается в круговорот посредством цепей разложения.

Трофические пирамиды

Трофическая (экологическая) пирамида - графические изображения соотношения между продуцентами и консументами всех уровней (травоядных, хищников; видов, питающихся другими хищниками) в экосистеме.

Основанием пирамиды служит первый трофический уровень - уровень продуцентов, последующие этажи пирамиды образованы следующими уровнями пищевой цепи - консументами различных порядков. Высота всех блоков в пирамиде одинакова, а длина пропорциональна числу, биомассе или энергии на соответствующем уровне.

Экологические пирамиды различают в зависимости от показателей, на основании которых строится пирамида. При этом для всех пирамид установлено основное правило, согласно которому в любой экосистеме больше растений, чем животных, травоядных, чем плотоядных, насекомых, чем птиц.

Правило экологической пирамиды: «Показатель каждого уровня экологической пирамиды приблизительно в 10 раз меньше предыдущего»

На основе правила экологической пирамиды можно определить или рассчитать количественные соотношения разных видов растений и животных в естественных и искусственно создаваемых экологических системах. Например, 1 кг массы морского зверя (тюленя, дельфина) нужно 10 кг съеденной рыбы, а этим 10 кг нужно уже 100 кг их корма - водных беспозвоночных, которым в свою очередь для образования такой массы необходимо съедать 1000 кг водорослей и бактерий. В данном случае экологическая пирамида будет устойчива.

 

Типы экологических пирамид:

1) Пирамиды чисел - на каждом уровне откладывается численность отдельных организмов. Пирамида чисел отображает отчетливую закономерность: количество особей, составляющих последовательный ряд звеньев от продуцентов к консументам, неуклонно уменьшается

Например, чтобы прокормить одного волка, необходимо по крайней мере несколько зайцев, на которых он мог бы охотиться; чтобы прокормить этих зайцев, нужно довольно большое количество разнообразных растений. В данном случае пирамида будет иметь вид треугольника с широким основанием суживающимся кверху.

Пирамида чисел позволяет, например, рассчитывать допустимую величину улова рыбы или отстрела животных в охотничий период без последствий для нормального их воспроизведения.

 

2) Пирамиды биомасс - характеризует общую сухую или сырую массу организмов на данном трофическом уровне, например, в единицах массы на единицу площади - г/м2, кг/га, т/км2 или на объем - г/м3 (рис.4)

 

Обычно в наземных биоценозах общая масса продуцентов больше, чем каждого последующего звена. В свою очередь, общая масса консументов первого порядка больше, нежели консументов второго порядка и т.д.

 

 

3) Пирамиды энергии - показывает величину потока энергии или продуктивности на последовательных уровнях

Пирамиды энергии позволяют сравнивать энергетическую значимость популяций внутри экосистемы и иллюстрировать количественные отношения в отдельных, представляющих особый интерес частях экосистем, например, в звеньях жертва-хищник или хозяин-паразит.

 

Биотический круговорот

 

Биотический круговорот является частью большого круговорота и происходит на уровне экосистем. Он заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод и другие элементы аккумулируются в веществе растений и расходуются на поддержание собственных жизненных процессов и жизненных процессов организмов-консументов. Продукты распада органического вещества (опавшие листья, умершие растения и животные) с помощью бактерий, грибов, червей, моллюсков и т. д. вновь разлагаются до минеральных компонентов, которые снова становятся доступными растениям и тем самым вновь вовлекаются ими в поток вещества.

Наиболее значимыми для функционирования биосферы являются круговороты основных элементов, входящих в состав живого вещества: углерода, кислорода, азота, фосфора и серы, поскольку они являются компонентами для построения основных молекул живого вещества – углеводов, липидов, белков и нуклеиновых кислот. Эти круговороты создаются живым веществом и одновременно поддерживают жизнедеятельность самих живых организмов.

Круговорот химических веществ из неорганической среды в органическую среду и обратно, осуществляемый через растительные и животные организмы с использованием солнечной или химической энергии, называют биогеохимическим циклом. На рисунке двойными стрелками показаны направления переноса органических веществ, одинарными стрелками – направления переноса наиболее важных неорганических веществ.

 

 

Круговорот углерода

Углерод в биосфере часто представлен наиболее подвижной формой – углекислым газом. Источником первичной углекислоты биосферы является вулканическая деятельность. Миграция углекислого газа в биосфере Земли протекает двумя путями.

Первый путь заключается в поглощении его в процессе фотосинтеза с образованием органических веществ и в последующем захоронении их в литосфере в виде торфа и угля, горных сланцев, рассеянной органики, осадочных горных пород. Так, в далёкие геологические эпохи сотни миллионов лет назад значительная часть фотосинтезируемого органического вещества не использовалась ни консументами, ни редуцентами, а накапливалась и постепенно погребалась под различными минеральными осадками. Находясь в породах миллионы лет, этот детрит под действием высоких температур и давления превращается в нефть, природный газ и уголь, во что именно – зависело от исходного материала, продолжительности и условий пребывания в породах. Теперь мы в огромных количествах добываем это ископаемое топливо для обеспечения потребностей в энергии, а сжигая его, в определенном смысле завершаем круговорот углерода.

 

По второму пути миграция углерода осуществляется созданием карбонатной системы в различных водоёмах, где СО2 переходит в Н2СО3, НСО31-, СО32-. Затем с помощью растворённого в воде кальция (реже магния) происходит осажд