Вода как основной компонент биосферы.

Вода – наиболее распространенное вещество, важнейшая составная часть живых организмов. Она совершает непрерывный круговорот между гидросферой, литосферой и атмосферой под влиянием солнечной радиации и силы тяжести. Переходя из газообразного состояния в жидкое, она поступает из атмосферы на сушу в реки и водоемы. Сток рек и подземных вод, океанические течения, перемещение облаков над материками, передвижение воды из почв от корней к листьям – различные звенья круговорота воды в биосфере. Различают большой (мировой) и малый (в пределах экосистем) круговороты. Большой круговорот воды включает следующие процессы. Водяные пары, испарившиеся с поверхности океанов, морей, внутренних водоемов под воздействием солнечной энергии, при соответствующих условиях конденсируются, образуя облака, охлаждение которых вызывает осадки в виде дождя, снега и града. Осадки поглощаются почвами, породами и пополняют подземные воды илиже стекают по поверхности, поступая в реки. В итоге вода возвращается в моря, океаны, и все повторяется. Этот круговорот хорошо замкнут.

Круговорот воды в экосистемах состоит из четырех фаз: перехвата, эвапотранспирации, инфильтрации и стока. Поступая в виде осадков, вода частично перехватывается листьями, ветвями, стволами деревьев, испаряется с их поверхности в атмосферу, не достигнув почвы, т.е. теряется для экосистемы. Часть воды просачивается (инфильтруется) до уровня грунтовых вод или теряется для экосистемы с поверхностным стоком. Вода возвращается в атмосферу вследствие эвапотранспирации, или суммарного испарения, т.е. физического с поверхности почвы и физиологического (биологического) в процессе транспирации растений. Суммарное испарение в Европе составляет в среднем 3…7 тыс. т/га за год. Ежегодно экосистема использует из всей транспирируемой воды примерно 1% ее на формирование биомассы.

 

13.Почвенно-грунтовые (эдафические) факторы. Эти факторы не только воздействуют на живые организмы, но и служат средой обитания для многих микроорганизмов, растений и животных. Почвенные организмы и сами создают свою среду обитания, Эдафические факторы связаны с функционированием почвенного покрова. Мощность почв колеблется от 3…10 см (арктические дерновые почвы) до 1,5…2,0 м (черноземы степей). Почвы как геомембрана регулируют взаимодействие атмосферы, литосферы, гидросферы и биосферы. Они пропускают или задерживают различные потоки вещества и энергии, которые поступают из недр Земли на сушу, через гидросферу, из космоса через атмосферу. В почвах аккумулируются химические элементы, необходимые для растений. Благодаря плодородию, т.е. способности удовлетворять потребности растений в элементах питания, влаге и воздухе, почвы обеспечивают постоянное воспроизведение бесконечных поколений живых организмов в цепи зеленые растения – животные – человек – микроорганизмы.

В экологическом отношении особый интерес представляют свойства почв, оказывающие влияние на жизнь организмов:

Мощность почв и их отдельных горизонтов характеризует агрономическую ценность почв. Например, мощный гумусовый горизонт свидетельствует о больших запасах питательных элементов,мощность тундровых почв лимитируется наличием вечной мерзлоты.

Гранулометрический состав почв влияет в основном косвенно на организмы, определяя условия увлажнения, воздушный и тепловой режимы, способность к поглощению минеральных веществ. От гранулометрического состава зависят определенные адаптации. Так, у крота лапы лопатообразные. Он роет лишь мягкую, податливую почву, с большим количеством дождевых червей.

Температура почв сильно влияет на продуктивность растений. Семена различных сельскохозяйственных культур прорастают только в определенных температурных интервалах..

Влажность почв важна не только для растений, но и для животных. Оптимальное развитие растений, жизнь почвенных микроорганизмов и животных возможны лишь при нормальной влагообеспеченности почв. Животные также чутко реагируют на влажность почв. Грызуны в пустынях летом выкапывают глубокие норы до тех горизонтов илислоев почвогрунтов, которые содержат больше влаги.

Химический состав почв определяет их потенциальное плодородие. По отношению к плодородию почв выделяют следующие группы растений: эутрофы (предпочитают плодородные почвы), олиготрофы (способны расти на бедных почвах), мезотрофы (произрастают на почвах среднего плодородия), нитрофилы (требуют почв, богатых азотом), галофиты (хорошо растут на засоленных почвах); петрофиты, или литофиты (растут на каменистых почвах), псаммофиты (способны расти на сыпучих песках).

Засоление почв отрицательно влияет на растительность. Более токсичны растворимые соли (Na₂СО₃, NаСl, Nа₂SО₄, MgСl₂, СаСl₂), легко проникающие в цитоплазму, менее токсичны труднорастворимые соли (СаSO₄, MgSO₄, СаСО₃). Более вредное засоление – содовое и хлоридное, менее вредное – сульфатное. Сильное засоление нарушает нормальное водоснабжение растений, азотный обмен, замедляет синтез белков, подавляет процессы роста.

Воздушный режим почв – весьма существенный фактор для живых организмов. Воздух необходим для дыхания, с участием воздуха протекают физиологические процессы в корнях растений. Растения развиваются нормально, когда влага содержится в мелких и средних порах, а воздух – в крупных. При свободном доступе кислорода развиваются аэробные бактерии, а при отсутствии – анаэробные.

Орографические факторы. Они играют важнейшую роль в перераспределении осадков на различных элементах рельефа. На ровных территориях водоразделов формируются зональные типичные почвы, а в понижениях в связи с дополнительным притоком воды – гидроморфные; на повышениях и склонах осадки стекают, вызывая эрозию. От экспозиции склонов зависит тепловой режим почв, северные склоны получают значительно меньше тепла, чем южные. В соответствии с распределением влаги и тепла развиваются определенные экосистемы со своеобразными сообществами микроорганизмов, растений и животных.

 

Антропогенные факторы

Эти факторы обусловлены деятельностью человека, точнее, совокупностью разнообразных его воздействий на окружающую среду, растения, животных, экосистемы. К химическим антропогенным факторам относятся выбросы в воздушный бассейн диоксида углерода, диоксида серы, фреонов, тяжелых металлов, углеводородов и других веществ, поступающих от производства, транспорта, теплоэнергетики; сброс сточных вод промышленными предприятиями, коммунально-бытовым и сельским хозяйством в водные бассейны; загрязнение почв различными тяжелыми металлами и радионуклидами, которые затем попадают в воды, сельскохозяйственные растения и по пищевой цепи в организм животных и человека. Многие виды деятельности людей вносят в экосистемы существенные помехи. Так, применение гербицидов для уничтожения сорняков приводит к гибели не только этих растений, но и насекомых. Вырубка лесов, распашка целинной степи уничтожают экосистемы. Вмешательство человека в естественные процессы изменяет состав биосферы, круговорот и баланс ее компонентов в связи с выбросом в атмосферу. Хозяйственная деятельность привела к возникновению аномалий: глобальных, охватывающих большую часть Земли или же всю планету (накопление СО₂ в результате сжигания газа, угля, нефти); региональных, характерных для провинций, природных зон, кон­тинентов (повсеместное применение удобрений); локальных – в сфере действия заводов, рудников. Аномалии могут быть полезными, нейтральными и вредными.

 

Основные законы экологии

Для правильного определения характера взаимоотношений между организмами нужно знать основные законы и правила экологии.

Закон минимума Ю. Либиха: жизненные возможности организмов и экосистем определяются экологическими факторами, количество и качество которых близки к необходимому минимуму.

Закон толерантности, или выносливости, В. Шелфорда: лимитирующим фактором процветания организмов (видов) может быть и максимум экологического воздействия. Диапазон между минимумом и максимумом экологического фактора определяет выносливость (толерантность) организмов к нему. Точнее, избыток определенного элемента или вещества отрицательно влияет на жизнеспособность организмов. Так, при избытке воды корни растений задыхаются, гниют, при недостатке воды растения вянут.

Закон внутреннего динамического равновесия: вещество, энергия, информация и динамические качества отдельных природных систем в их иерархии взаимосвязаны настолько, что любое изменение одного из них вызывает сопутствующие функционально-структурные количественные и качественные перемены, при этом сохраняется общая сумма качеств системы, где происходят такие преобразования.

Закон константности В. И. Вернадского: для данного геологического периода количество живого вещества биосферы – постоянная величина, т.е. увеличение количества живого вещества в одном из регионов приводит к одинаковому снижению в другом, хотя и неравнокачественно.

Закон пирамиды энергии Р. Линдемана, или правило десяти процентов: с одного трофического уровня на другой в среднем переходит 10% энергии, что не ведет к неблагоприятным последствиям для теряющего энергию трофического уровня или всей экосистемы.

Закон одного процента: изменение энергетики природной системы в среднем на 1% выводит экосистему из состояния равновесия.

Закон максимума биогенной энергии Вернадского – Бауэра: биосистемы, находясь в состоянии динамического равновесия с окружающей средой и эволюционно развиваясь, увеличивают воздействие на среду.

Закон необратимости эволюции Л. Долло: любой организм, популяция, вид не могут вернуться к состоянию предков.

Закон ограниченности природных ресурсов: все природные ресурсы, в том числе и солнечная энергия, конечны.

Закон сукцессионного замедления: в зрелых стабильно-равновесных экосистемах процессы замедляются. Например, мелиорация увеличивает продуктивность агроэкосистем на первом этапе, со временем прирост продукции снижается, устанавливаясь на определенном уровне при новом устойчивом состоянии системы.

Закон равнозначности всех условий жизни: все природные условия среды, необходимые для жизни, равнозначны.

Закон последовательности прохождения фаз развития: каждая природная экосистема проходит определенные эволюционные фазы от простой к сложной.

Закон физико-химического единства живого вещества В. И. Вернадского: на нашей планете все живое вещество в физико-химическом отношении едино.

Закон необходимого разнообразия: экосистемы не могут сформироваться из абсолютно одинаковых элементов.

Законы экологии по Б. Коммонеру: 1) все связано со всем (это положение согласуется с законом внутреннего динамического равновесия); 2) все должно куда-то деваться (согласуется с законом развития природной системы за счет окружающей среды); 3) ничто не дается даром, т.е. в рамках биосферы ничто не может быть выиграно или потеряно; 4) природа знает лучше, что делать, а человек должен решать, как это делать (достоверной полной информации о природе человек не имеет).

 

Основные правила экологии

Правило замещения экологических условий В. В. Алехина: в определенной степени любое условие среды может быть замещено другим (например, при лесных мелиорациях климатические условия для сельскохозяйственных культур заменяют биоклиматическими).

Правило интегрального ресурса: конкурирующие отрасли хозяйства, совместно эксплуатирующие определенные экологические компоненты, наносят взаимный ущерб.

Правило меры преобразования природных систем: при эксплуатации природных систем не следует переходить определенные границы, или пределы, которые позволяют природе сохранять свойства самоорганизации и саморегуляции. Следовательно, хозяйственные мероприятия эффективны в определенных рациональных пределах и не должны выводить природные экосистемы из динамического равновесия.

Правило «мягкого» управления природой: необходимость восстановления естественной продуктивности экосистем или ее повышения с помощью различных мероприятий, например агролесомелиорации.

Правило неизбежных цепных реакций «жесткого» управления природой: управление с помощью технических средств может вызвать различные отрицательные последствия.

Принцип неполноты (неопределенности) информации: информация, необходимая для проведения различных мероприятий по преобразованию природы, недостаточна для априорного суждения о результатах в связи со сложностью и своеобразием экосистем и непредвиденностью некоторых цепных реакций.

 

17. Взаимодействие человека и природы. Природные экосистемы существуют десятки и сотни лет, обладая своеобразной стабильностью во времени и пространстве. Это результат наличия постоянных трофических связей, сбалансированных потоков вещества и энергии между организмами и окружающей их средой. Безусловно, речь не идет об абсолютной стабильности. Численность популяций некоторых организмов может периодически возрастать или снижаться, однако от этого система в целом не выходит из равновесия. Подвижно-стабильное равновесие экосистем, вернее, их способность противостоять изменениям среды и сохранять состояние равновесия называют гомеостазом (греч. homoios – подобный, statos – неподвижный). Такое состояние поддерживается тем, что природная экосистема открыта, к автотрофам постоянно поступают лучистая энергия, химические элементы, а накопление сопровождается распадом.

Поддержание экологического гомеостаза осложняется тем, что он должен носить динамический характер, так как потребности организмов и окружающая среда непрерывно развиваются, следовательно, изменяются и взаимоотношения организмов со средой. Например, потребность в энергии, ее расход на процессы жизнедеятельности должны находиться в соответствии с наличием данного ресурса в природе и его продуцированием изнутри. В связи с необходимостью поддерживать динамическое равновесие с окружающей средой под действием естественного отбора возникает комплекс разнообразных адаптации. Адаптации – это выработанные в процессе эволюции и закрепленные наследственно особенности живых организмов, обеспечивающие нормальную жизнедеятельность при динамических абиотических и биотических факторах. Адаптации могут быть морфологическими (например, растения пустынь лишены листьев, что способствует уменьшению потерь влаги), физиологическими (особенности набора ферментов в пищеварительном тракте животных), экологическими (различные приспособительные особенности поведения, например создание убежищ, суточные и сезонные кочевья птиц и др.).

В любом ландшафте можно наблюдать сложную мозаику зрелых и развивающихся сообществ разных стадий экологической сукцессии в зависимости от рельефа, почв, степени увлажнения. При этом выделяется одно или несколько зрелых стабильных сообществ, приспособленных к условиям среды по широте местности, высоте над уровнем моря. Человек может воздействовать на экосистемы на любых этапах сукцессии, что сказывается на их дальнейшем развитии.

Кульминацией развития является стабилизированная система, носящая название климакса. Замещение видов в сукцессиях вызвано стремлением популяций модифицировать окружающую среду и создавать более благоприятные условия для других популяций. Таким образом, во взаимодействии со средой все организмы должны поддерживать динамическое равновесие.