Предмет, задачи и методы экологии.

Лекция 1.

История экологии.

Предмет, задачи и методы экологии.

Экология – относительно молодая науки, но древнейшая отрасль человеческого знания. Рождение экологии как самостоятельной науки произошло в середине XIX века. В 1866 году немецкий биолог Эрнест Геккель (1834-1919) назвал экологией один из разделов биологии в своем трактате «Всеобщая морфология организмов».

Экология (от греч. oikos — дом, жилище, местообитание и logos — наука, учение).

III. По конкретным объектам исследования:

1) экология микроорганизмов,

2) экология растений,

3) экология животных и т.п.

IV. По размерам объекта изучения:

1) ландшафтная (географическую),

2) глобальная (учение о биосфере).

Таким образом, в широком смысле современная экология — комплексная (междисциплинарная) наука, синтезирующая данные естественных и общественных наук о природе и взаимодействии природы и общества.

Основная задача экологии — изучение законов взаимодействия природы и общества и оптимизация этого взаимодействия.

Задачи экологии:

1) исследование взаимоотношений организмов друг с другом

2) исследование взаимоотношений организмов с окружающей средой

3) изучение жизни биологических макросистем более высокого ранга: экосистем (биогеоценозов) и биосферы

4) учение о рациональном освоении и использовании ресурсов окружающей среды.

Основная проблема экологии – поиск оптимального взаимодействия в системе «человек – окружающая среда».

Современная экология располагает широким набором методов исследования.

Методы экологических исследований:

1. Метод наблюдения и описания заключается в сборе и описании фактов.

2. Метод измерений использует измерения характеристик объектов.

3. Сравнительный метод основан на анализе сходства и различий изучаемых объектов.

4. Исторический метод изучает ход развития исследуемого объекта.

5. Метод эксперимента дает возможность изучать явления природы в заданных условиях.

6. Метод моделирования позволяет описывать сложные природные явления относительно простыми моделями.

7. Метод прогнозирования позволяет предсказывать будущее объекта или процесса.

Связь экологии с другими науками. Экология тесно связана с фундаментальными науками (математикой, физикой, химией), естественными (биологией, географией, геологией, почвоведением), общественными (экономикой, социологией, политологией, психологией), прикладными (охраной природы, биотехнологией, растениеводством).

Значение экологии. Экология является теоретическим фундаментом рационального природопользования и охраны природы. Экологические знания используются в сельском, лесном и промысловом хозяйстве, экономике, медицине, социологии и т.д. Достижения экологии применяются при решении глобальных проблем современности: взаимоотношения общества с окружающей средой, рационального природопользования и охраны природы, продовольственного обеспечения.

 

Лекция 2.

Уровни организации живой природы. Систематика.

Типы питания живых организмов.

 

Иерархичность организации живой материи позволяет условно подразделить ее на ряд уровней.

Лекция 3.

Экология организмов (аутэкология)

Среды жизни и экологические факторы

Среда обитания (жизни) — это часть природы, которая окружает живые организмы и с которой они непосредственно взаимодействуют (подвергаются воздействию и оказывают воздействие).

На нашей планете живые организмы освоили 4 среды обитания: водную, наземно-воздушную, почвенную и организменную Первой была освоена водная среда. Затем появились паразиты и симбионты, использующие организменную среду обитания. В дальнейшем после выхода жизни на сушу живые организмы населили наземно-воздушную среду, а одновременно с этим создали и заселили почву. Под почвенной средой обитания подразумевают не только собственно почву, но и горные породы поверхностной части литосферы.

 

Способность живых организмов переносить количественные колебания действия экологического фактора в той или иной степени называется экологической валентностью (толерантностью, устойчивостью, пластичностью).

Значения экологического фактора между верхним и нижним пределами выносливости называется зоной толерантности.

Виды с широкой зоной толерантности называются эврибионтными (от греч. euris — широкий), с узкой — стенобионтными (от греч. stenos — узкий)

Явление акклиматизации. Положение оптимума и пределов выносливости на градиенте фактора может быть в определенных пределах сдвигаться. Например, человек легче переносит пониженную температуру окружающей среды зимой, чем летом, а повышенную — наоборот. Это явление называется акклиматизацией (или акклимацией). Акклиматизация происходит при смене сезонов года или при попадании на территорию с другим климатом.

Неоднозначность действия фактора на разные функции организма. Одно и то же количество фактора неодинаково влияет на разные функции организма. Оптимум для одних процессов может являться пессимумом для других. Например, у растений максимальная интенсивность фотосинтеза наблюдается при температуре воздуха +25 — + 35 °C, а дыхания — + 55 °C. Соответственно при более низких температурах будет происходить прирост биомассы растений, а при более высоких — потеря биомассы. У холоднокровных животных повышение температуры до +40 °C и более сильно увеличивает скорость обменных процессов в организме, но тормозит двигательную активность, и животные впадают в тепловое оцепенение. У человека семенники вынесены за пределы таза, так как сперматогенез требует более низких температур. Для многих рыб температура воды, оптимальная для созревания гамет, неблагоприятна для икрометания, которое происходит при другой температуре.

Жизненный цикл, в котором в определенные периоды организм осуществляет преимущественно те или иные функции (питание, рост, размножение, расселение и т.п.), всегда согласован с сезонными изменениями комплекса факторов среды. Подвижные организмы могут также менять места обитания для успешного осуществления всех своих жизненных функций.

Экологическая валентность вида. Экологические валентности отдельных особей не совпадают. Они зависят от наследственных и онтогенетических особенностей отдельных особей: половых, возрастных, морфологических, физиологических и т.д. Поэтому экологическая валентность вида шире экологической валентности каждой отдельной особи. Например, у бабочки мельничной огневки – одного из вредителей муки и зерновых продуктов – критическая минимальная температура для гусениц -7 °C, для взрослых форм -22 °C, а для яиц -27 °C. Мороз в -10 °C губит гусениц, но не опасен для имаго и яиц этого вредителя.

Лекция 4.

Классификация популяций.

1. По способности к самовоспроизведению и самостоятельной эволюции популяции бывают:

а) перманентные (постоянные) — популяции, относительно устойчивые в пространстве и во времени, способные к неограниченно длительному самовоспроизведению, представляющая определенное значение. Являются элементарными единицами эволюции.

б) темпоральные (временные) — популяции, неустойчивые в пространстве и во времени, неспособные к длительному самовоспроизведению, зависящие от поступления особей извне. С течением времени либо преобразуются в перманентные, либо исчезают.

Включают: псевдопопуляции – беженцы на малых территориях, зависимые, псевдозависимые.

2. По способу размножения популяции делят на:

а) панмиктические популяции состоят из особей, размножающихся половым путем, для которых характерно перекрестное оплодотворение.

б) клональные популяции состоят из особей, для которых характерно только бесполое размножение.

в) к лонально-панмиктические популяции образованы особями с чередованием полового и бесполого размножения.

Популяции, будучи групповыми объединениями, обладают рядом специфических свойств, которые не присущи каждой отдельной особи.

Количественные показатели (характеристики) популяции можно разделить на:

1. Статические показатели (характеризуют состояние популяции на данный момент времени).

- Численность — число особей в популяции. Численность популяции может значительно изменяться во времени. Она зависит от биотического потенциала вида и внешних условий.

- Плотность — число особей или биомасса популяции, приходящаяся на единицу площади или объема.

Популяция характеризуется определенной структурной организацией - соотношением групп особей по полу, возрасту, размеру, генотипу, распределением особей по территории и т.д. В связи с этим выделяют различные структуры популяции: половую, возрастную, размерную, генетическую, пространственно-этологическую и др. Структура популяции формируется, с одной стороны, на основе общих биологических свойств вида, с другой стороны, под влиянием факторов среды, то есть имеет приспособительный характер.

- Половая структура (половой состав) — соотношение особей мужского и женского пола в популяции. Половая структура свойственна только популяциям раздельнополых организмов. Теоретически соотношение полов должно быть одинаковым: 50% от общей численности должны составлять мужские особи, а 50% — женские. Фактическое соотношение полов зависит от действия различных факторов среды, генетических и физиологических особенностей вида.

- Возрастная структура (возрастной состав) — соотношение в популяции особей разных возрастных групп. Абсолютный возрастной состав выражает численность определенных возрастных групп в определенный момент времени. Относительный возрастной состав выражает долю или процент особей данной возрастной группы по отношению к общей численности популяции. Возрастной состав определяется рядом свойств и особенностей вида: время достижения половой зрелости, продолжительность жизни, длительность периода размножения, смертность и др.

- Пространственно-этологическая структура — характер распределения особей в пределах ареала. Она зависит от особенностей окружающей среды и этологии (особенностей поведения) вида.

Равномерное (регулярное) распределение характеризуется равным удалением каждой особи от всех соседних. Неравномерное (агрегированное, групповое, мозаичное) распределение проявляется в образовании группировок особей, между которыми остаются большие незаселенные территории. Случайное (диффузное) распределение выражается в неодинаковом расстоянии между особями.

По типу использования пространства все подвижные животные подразделяются на оседлых и кочевых. Оседлый образ жизни имеет ряд биологических преимуществ, таких, как свободная ориентация на знакомой территории при поиске пищи или укрытия, возможность создать запасы пищи (белки, полевые мыши). К его недостаткам относится истощение пищевых ресурсов при излишне высокой плотности популяции.

По форме совместного существования животных выделяют одиночный образ жизни, семейный, колониями, стаями, стадами. Одиночный образ жизни проявляется в том, что особи в популяциях независимы и обособленны друг от друга (ежи, щуки и др.). Однако он характерен только для определенных стадий жизненного цикла. Полностью одиночное существование организмов в природе не встречается, так как при этом было бы невозможно размножение. Семейный образ жизни наблюдается в популяциях с усилением связей между родителями и потомством (львы, медведи и др.). Колонии — групповые поселения оседлых животных, как длительно существующие, так и возникающие лишь на период размножения (гагары, пчелы, муравьи и др.). Стаи — временные объединения животных, облегчающие выполнение какой-либо функции: защиты от врагов, добывания пищи, миграции (волки, сельдь и др.). Стада — более длительные, чем стаи, или постоянные объединения животных, в которых, как правило, выполняются все жизненные функции вида: защита от врагов, добывание пищи, миграции, размножение, воспитание молодняка и т.д. (олени, зебры и др.).

Генетическая структура — соотношение в популяции различных генотипов и аллелей. Совокупность генов всех особей популяции называют генофондом.

 

2. Динамические показателипопуляции отражают процессы, протекающие в популяции за определенный промежуток времени. Основные из них: рождаемость, смертность, скорость роста популяции.

Для характеристики динамических показателей популяции используют следующие обозначения:

N — число организмов; t — время; DN/ Dt — средняя абсолютная (общая) скорость изменения числа организмов за определенный период времени;

(DN/ Dt)/N — средняя удельная скорость изменения числа организмов в расчете на 1 особь за определенный период времени.

При математическом моделировании в экологии часто необходимо знать не только среднюю скорость, но и мгновенную скорость изменения числа организмов в тот или иной момент времени (за бесконечно малый промежуток времени). Когда Dt стремится к нулю (Dt ® 0) символ D заменяют на d. Тогда

dN /dt — мгновенная абсолютная (общая) скорость изменения числа организмов за единицу времени в некоторый момент;

(dN/dt)/N — мгновенная удельная скорость изменения числа организмов в расчете на 1 особь за единицу времени в некоторый момент.

Таким образом, скорость рождаемости, скорость смертности и скорость роста популяции могут быть средними и мгновенными.

Рождаемость(скорость рождаемости) — число новых особей, появившихся в популяции за единицу времени в результате размножения.

Абсолютная (общая) рождаемость, или скорость рождаемости, выражают отношением:

dN_n /dt,

где dN_n — число особей (яиц, семян и т.п.), родившихся (отложенных, продуцированных и т.д.) за некоторый промежуток времени dt.

У дельная рождаемость (b) — отношение скорости рождаемости к исходной численности (N):

b=(dN_n/dt)/N.

Смертность(скорость смертности) — число особей, погибших в популяции за единицу времени (от хищников, болезней, старости и других причин). Смертность — величина обратная рождаемости.

Абсолютная (общая) смертность, или скорость смертности, выражают отношением:

dN_m /dt,

где dN_m — число особей, погибших за промежуток времени dt.

У дельная смертность (d) — отношение скорости смертности к исходной численности (N):

d=(dN_m /dt)/N.

Скорость роста популяции — изменение численности популяции в единицу времени. Скорость роста популяции может быть положительной, нулевой и отрицательной. Она зависит от показателей рождаемости, смертности и миграции (вселения — иммиграции и выселения — эмиграции). Увеличение (прибыль) численности происходит в результате рождаемости и иммиграции особей, а уменьшение (убыль) численности — в результате смертности и эмиграции особей.

Абсолютная (общая) скорость роста выражают отношением:

dN /dt,

где dN — изменение численности популяции за промежуток времени dt.

У дельная скорость роста — отношение скорости роста к исходной численности (N):

(dN/dt)/N.

При отсутствии лимитирующих факторов среды удельная скорость роста равна величине r, которая характеризует свойства самой популяции и называется удельной (врожденной) скоростью роста популяции или биотическим потенциалом вида.

r=(dN/dt)/N или dN /dt=rN.

Величина биотического потенциала очень различается у разных видов. Например, тигрица способна произвести за жизнь 8-10 тигрят, трихина отложить 1,8 тыс. личинок, пчела — 50 тыс. яиц, рыба-луна — до 3 млрд икринок.

Однако в природе, в связи с действием лимитирующих факторов, биотический потенциал популяции никогда не реализуется полностью. Его величина обычно складывается как разность между рождаемостью и смертностью в популяции:

r = b – d,

где b — число родившихся, d — число погибших особей в популяции за один и тот же период времени.

Когда b = d, r = 0 и популяция находится в стационарном состоянии. Когда b > d, r > 0, численность популяции увеличивается. Когда b < d, r < 0, численность популяции сокращается. Формула d = b – r позволяет определить смертность, которую трудно измерить непосредственно, а определить r достаточно просто непосредственными наблюдениями.

Скорость роста популяции может быть выражена в виде кривой роста. Существуют две основные модели роста популяции: S-образная (рис.А) и J-образная (рис.Б).

     

        

       Затухающий рост (рис. А)наблюдается в тех случаях, когда с увеличением популяции дальнейшие возможности ее роста становятся все более ограниченными. Изменение численности описывается S-образной кривой, уравнение которой имеет вид:

dN / dt = rN (K–N) / K

 где К - поддерживающая емкость среды, т. е. максимальное число организмов, способных развиваться в данных условиях среды.

    В уравнении S-образной кривой роста меняется при изменении плотности популяции, т.е. чем выше плотность, тем меньше скорость роста популяции. Характерная форма кривой обусловлена постепенным усилением (по мере нарастания плотности популяции) действия неблагоприятных факторов (уменьшение количества доступной пищи, убежищ, мест гнездования и т. д.). Так при NK скорость роста отрицательна (численность популяции уменьшается).

    Кривая роста S-образной формы хорошо описывает рост популяции многих животных, растений, микроорганизмов.

    Итак, групповые свойства популяции можно оценить по таким показателям, как рождаемость, смертность, возрастная структура, соотношение полов, форма кривой роста. Плотность популяции определяется ее внутренними свойствами и также зависит от факторов, действующих на популяцию извне.

Экспоненциальный рост (рис. Б) численности популяции характеризуется J-образной кривой роста и происходит когда пищевые пространственные и другие важные жизненные ресурсы популяции находятся в избытке, а смертность с возрастанием численности особей не увеличивается.

    Уравнение J-образной кривой роста имеет вид:

dN / dt = rN

 где N - численность популяции; t- время; r - константа скорости роста численности популяции, связанная с максимальной скоростью размножения особи данного вида (биотический потенциал). К- поддерживающая емкость среды (наибольшее значение).

    Как следует из уравнения J-образного роста, численность популяции быстро возрастает, так как скорость роста в этом случае пропорциональна численности популяции. При достижении предельной для данного местообитания численности особей, равной К (поддерживающая емкость среды), рост популяции быстро прекращается и численность популяции уменьшается. Через некоторое время (различное для разных видов) при возникновении избытка необходимых для развития популяции ресурсов экспоненциальный рост может возобновиться. Для организмов с подобным типом роста популяции характерны (J-численности) периодически повторяющиеся вспышки численности с последующей гибелью большей части популяции (это относится к фитопланктону, мелким ракообразным, насекомым и др.).

    Уравнение J-кривой роста характеризует возможности увеличения численности популяций, которые редко реализуются в природе из-за множества лимитирующих факторов среды.

    Таким образом, в чистом виде экспоненциальный рост - абстракция, помогающая моделировать изменения численность популяций в некоторых условиях. В частности, знание коэффициента r оказывается очень важным для прогноза возможных вспышек численности, когда надо определить потенциальную способность популяции к росту.

    В природных условиях экспоненциальный характер роста популяции может наблюдаться в течение непродолжительного периода при изобилии пищи и отсутствии скученности и врагов («цветение» фитопланктона в водоемах весной, вспышки численности вредителей и пр.). Очевидно, что такой рост не может продолжаться очень долго, а часто и вовсе отсутствует.

    Колебания численности популяций. Когда популяция прекращает расти, ее плотность колеблется относительно верхнего уровня численности. Часто колебания обусловлены сезонными или годовыми изменениями доступности пищевых ресурсов. Однако у некоторых популяций колебания численности столь регулярны, что их можно рассматривать как циклические.

    Амплитуда колебаний зависит от особенностей вида и от условий его существования. У многих крупных позвоночных (при относительно постоянных условиях - окружающей среды) численность может изменяться в несколько раз. В то же время у насекомых диапазон колебаний численности популяции шире в 40-50 раз, а в отдельные годы (при благоприятных условиях) численность популяции возрастает в десятки и даже миллионы раз. Например, вспышки численности саранчи происходят с интервалом примерно один раз в 40 лет. Помимо нерегулярных вспышек численности могут возникать и регулярные вспышки, обусловленные изменениями различных факторов среды - температуры, пищевых ресурсов и пр.

    Следует отметить, что повышение плотности популяций сверх оптимальной величины оказывает на них неблагоприятное воздействие, так как при этом сокращается пищевой ресурс, уменьшается жизненное пространство, быстро распространяются болезни т.д. У многих видов животных при росте плотности популяции снижается плодовитость.

Сравнительная характеристика J -образной и S -образной кривых роста

J -образная кривая (рост, не зависящий от плотности)	S -образная кривая (рост, зависящий от плотности)
Если r положительно, численность популяции увеличивается экспоненциально. Если r отрицательно, численность популяции уменьшается экспоненциально. Отсюда быстрое увеличение и падение численности популяции. Скорость роста каждого организма не зависит от плотности популяции. Размеры популяции не стабилизируются	Если N > К, скорость роста отрицательна. Если N < К, скорость роста положительна и величина популяции N стремится к K (N = К), т.е. приводится в соответствие с поддерживающей емкостью среды. Когда N = К, скорость роста популяции равна нулю. Размеры популяции остаются постоянными.

Лекция 5.

 Экология сообществ (синэкология)

Динамика экосистем

Изменения в сообществах могут быть циклическими и поступательными.

Циклические изменения — периодические изменения в биоценозе (суточные, сезонные, многолетние), при которых биоценоз возвращается к исходному состоянию.

Суточные циклы связаны с изменением освещенности, температуры, влажности и других экологических факторов в течение суток и наиболее резко выражены в условиях континентального климата. Суточные ритмы проявляются в изменении состояния и активности живых организмов в течение суток. Например, чередование световой и темновой фаз фотосинтеза у растений, сна и бодрствования у животных.

Сезонная цикличность связана с изменением экологических факторов в течение года и наиболее сильно выражена в высоких широтах, где велик контраст зимы и лета. Сезонная изменчивость проявляется не только в изменении состояния и активности, но и количественного соотношения отдельных видов. На определенный период многие виды выключаются из жизни сообщества, впадая в спячку, оцепенение, перекочевывая или улетая в другие районы.

Многолетняя изменчивость связана с флуктуациями климата или другими внешними факторами (степень разлива рек), либо с внутренними причинами (особенности жизненного цикла растений-эдификаторов, повторения массового размножения животных).

Поступательные изменения — изменения в биоценозе, в конечном счете приводящие к смене этого сообщества другим. Сукцессия (от лат. successio — преемственность) — последовательная смена биоценозов (экосистем), выраженная в изменении видового состава и структуры сообщества. Последовательный ряд сменяющих друг друга в сукцессии сообществ называется сукцессионной серией. К сукцессиям относятся опустынивание степей, зарастание озер и образование болот и др.

В зависимости от причин, вызвавших смену биоценоза, сукцессии делят на природные и антропогенные, аутогенные и аллогенные.

Природные сукцессии происходят под действием естественных причин, не связанных с деятельностью человека. Антропогенные сукцессии обусловлены деятельностью человека.

Аутогенные сукцессии (самопорождающиеся) возникают вследствие внутренних причин (изменения среды под действием сообщества). Аллогенные сукцессии (порожденные извне) вызваны внешними причинами (например, изменение климата).

Типы сукцессий:

1. Первичные сукцессии развиваются на субстрате, не занятом живыми организмами (на скалах, обрывах, сыпучих песках, в новых водоемах и т.п.).   2. Вторичные сукцессии происходят на месте уже существующих биоценозов после их нарушения (в результате вырубки, пожара, вспашки, извержения вулкана и т.п.).

В своем развитии экосистема стремится к устойчивому состоянию. Сукцессионные изменения происходят до тех пор, пока не сформируется стабильная экосистема, производящая максимальную биомассу на единицу энергетического потока. Сообщество, находящееся в равновесии с окружающей средой, называется климаксным.

 

 

Типы экосистем:

1. Природные (естественные)

2. Искусственные

- космические

- агроэкосистемы

- урбосистемы

 

Природные экосистемы

В зависимости от природных и климатических условий можно выделить три группы и ряд типов природных экосистем (биомов) -в основе классификации для наземных экосистем лежит тип естественной (исходной) растительности, для водных экосистем — гидрологические и физические особенности:

I.Наземные экосистемы

1. Тундра: арктическая и альпийская;

2. Бореальные хвойные леса;

3. Листопадный лес умеренной зоны;

4. Степь умеренной зоны;

5. Тропические злаковники и саванна;

6. Чапарраль (районы с дождливой зимой и засушливым летом);

7. Пустыня: травянистая и кустарниковая;

8. Полувечнозеленый тропический лес (районы с выраженными влажным и сухим сезонами);

9. Вечнозеленый тропический дождевой лес.

II.Пресноводные экосистемы:

1. Лентические (стоячие воды): озера, пруды, водохранилища и др.;

2. Лотические (текучие воды): реки, ручьи, родники и др.;

3. Заболоченные угодья: болота, болотистые леса, марши (приморские луга).

III.Морские экосистемы:

1. Открытый океан (пелагическая экосистема);

2. Воды континентального шельфа (прибрежные воды);

3. Районы апвеллинга (плодородные районы с продуктивным рыболовством);

4. Эстуарии (прибрежные бухты, проливы, устья рек, лиманы, соленые марши и др.);

5. Глубоководные рифтовые зоны.

Помимо основных типов природных экосистем (биомов) различают переходные типы — экотоны. Например, лесотундра, смешанные леса умеренной зоны, лесостепь, полупустыни и др.

 

Антропогенные экосистемы

Агроэкосистемы (сельскохозяйственные экосистемы, агроценозы) — искусственные экосистемы, возникающие в результате сельскохозяйственной деятельности человека (пашни, сенокосы, пастбища). Агроэкосистемы создаются человеком для получения высокой чистой продукции автотрофов (урожая). В них, так же, как в естественных сообществах, имеются продуценты (культурные растения и сорняки), консументы (насекомые, птицы, мыши и т.д.) и редуценты (грибы и бактерии). Обязательным звеном пищевых цепей в агроэкосистемах является человек.

Отличия агроценозов от естественных биоценозов:

· незначительное видовое разнообразие (агроценоз состоит из небольшого числа видов, имеющих высокую численность);

· короткие цепи питания;

· неполный круговорот веществ (часть питательных элементов выносится с урожаем);

· источником энергии является не только Солнце, но и деятельность человека (мелиорация, орошение, применение удобрений);

· искусственный отбор (действие естественного отбора ослаблено, отбор осуществляет человек);

· отсутствие саморегуляции (регуляцию осуществляет человек) и др.

Таким образом, агроценозы являются неустойчивыми системами и способны существовать только при поддержке человека.

Урбосистемы (урбанистические системы) — искусственные системы (экосистемы), возникающие в результате развития городов, и представляющие собой средоточие населения, жилых зданий, промышленных, бытовых, культурных объектов и т.д. В их составе можно выделить следующие территории: промышленные зоны, где сосредоточены промышленные объекты различных отраслей хозяйства и являющиеся основными источниками загрязнения окружающей среды; селитебные зоны (жилые или спальные районы) с жилыми домами, административными зданиями, объектами быта, культуры и т.п.; рекреационные зоны, предназначенные для отдыха людей (лесопарки, базы отдыха и т.п.); транспортные системы и сооружения, пронизывающие всю городскую систему (автомобильные и железные дороги, метрополитен, заправочные станции, гаражи, аэродромы и т.п.). Существование урбоэкосистем поддерживается за счет агроэкосистем и энергии горючих ископаемых и атомной промышленности.

 

Лекция 6-7.

Учение о биосфере

Атмосфера

Атмосфера — сплошная воздушная оболочка Земли. Атмосфера окружает Землю до высоты 3 тыс. км. Она состоит из смеси газов и пылевидных частиц. В сухом чистом воздухе в объемных процентах содержится 78 % азота, 21 % кислорода, 0,9 % аргона, 0,03 % углекислого газа и около 0,003 % смеси неона, гелия, криптона, ксенона, оксидов азота, метана, водорода, паров воды и озона. На долю водяного пара приходится до 3 % объема атмосферы. Большая часть пыли в составе атмосферы поднята с поверхности Земли, но также присутствует космическая и бактериальная пыль.

Состав и свойства атмосферы на разных высотах неодинаковы, поэтому ее подразделяют на тропо -, страто-, мезо-, термо- и экзосферы. Последние три слоя иногда рассматривают как ионосферу.

Тропосфера (от 0 до 7 км у полюсов и до 18 км у экватора). В тропосфере сосредоточен весь водяной пар и 4/5 массы атмосферы. Здесь развиваются все погодные явления. Погода и климат на Земле зависят от распределения тепла, давления и содержания водяного пара в атмосфере. Водяной пар поглощает солнечную радиацию, увеличивает плотность воздуха и является источником всех осадков. Температура тропосферы с высотой уменьшается и на высоте 10-12 км достигает минус 55 ⁰С.

Стратосфера (до 40 км). Температура постепенно возрастает до 0 ⁰С. На высоте 22-24 км наблюдается максимальная концентрация озона (озоновый слой). Он поглощает большую часть губительного для живых организмов жесткого излучения Солнца.

Мезосфера (до 80 км). Температура падает до минус 60-80 ⁰С. Наблюдается высокое содержание ионов газов, являющихся причиной возникновения полярных сияний.

Термосфера (до 800 км). Характеризуется ростом температуры. Увеличивается содержание легких газов — водорода и гелия — и заряженных частиц.

Экзосфера (до 1500-2000 (3000) км). Здесь происходит рассеивание (диссипация) атмосферных газов в космическое пространство.

Гидросфера

Гидросфера — прерывистая водная оболочка Земли. Располагается между атмосферой и литосферой и включает в себя все океаны, моря, озера, реки, а также подземные воды, льды, снега полярных и высокогорных районов. Гидросферу делят на поверхностную и подземную.

Поверхностная гидросфера — водная оболочка поверхностной части Земли. В ее состав входят воды океанов, морей, озер, рек, водохранилищ, болот, ледников, снежных покровов и др. Поверхностная гидросфера покрывает земную поверхность на 70,8 %.

Подземная гидросфера — включает воды, находящиеся в верхней части земной коры. Их называют подземными. Сверху подземная гидросфера ограничена поверхностью земли, нижнюю ее границу проследить невозможно, так как гидросфера очень глубоко проникает в толщу земной коры.

По отношению к объему земного шара общий объем гидросферы не превышает 0,13 %. Основную часть гидросферы (96,53 %) составляет Мировой океан. На долю подземных вод приходится 1,69 % от общего объема гидросферы, остальное — воды рек, озер и ледников.

Компоненты биосферы

В.И. Вернадский рассматривал биосферу как область жизни, включающую наряду с организмами и среду их обитания. Он выделил в биосфере семь разных, но геологически взаимосвязанных типов веществ. По В.И. Вернадскому, в состав биосферы входят следующие типы веществ.

1. Живое вещество — живые организмы, населяющие нашу планету.

2. Косное вещество — неживые тела, образующиеся в результате процессов, не связанных с деятельностью живых организмов (породы магматического и метаморфического происхождения, некоторые осадочные породы).

3. Биогенное вещество — неживые тела, образующиеся в результате деятельности живых организмов (некоторые осадочные породы: известняки, мел и др., а также нефть, газ, каменный уголь, кислород атмосферы и др.).

4. Биокосное вещество — биокосные тела, представляющие собой результат совместной деятельности живых организмов и геологических процессов (почвы, илы, кора выветривания и др.).

5. Радиоактивное вещество — атомы радиоактивных элементов (уран (²³⁸U, ²³⁵U), торий (²³²Th), радий (²²⁶Ra) и радон (²²²Rn, ²²⁰Rn), калий (⁴⁰К), рубидий (⁸⁷Rb), кальций (⁴⁸Са), цирконий (⁹⁶Zr), тритий (³Н), бериллий (⁷Be, ¹⁰Be), углерод (¹⁴С) и др.)

6. Рассеянные атомы — отдельные атомы элементов, встречающиеся в природе в рассеянном состоянии (в таком состоянии часто существуют атомы микро- и ультрамикроэлементов: Mn, Co, Zn, Cu, Au, Hg и др.)

7. Вещество космического происхождения — вещество, поступающее на поверхность Земли из космоса (метеориты, космическая пыль).

Классификация вещества биосферы, предложенная В.И. Вернадским, с логической точки зрения не является безупречной, так как выделенные категории вещества частично перекрывают друг друга. Так, вещество космического происхождения одновременно является и косным. Атомы многих элементов являются и радиоактивными, и рассеянными одновременно. При этом и атомы радиоактивных элементов, и рассеянные атомы могут входить в состав как живого, так и косного вещества. «Биокосное вещество» нельзя рассматривать в качестве особого типа вещества, поскольку оно состоит из двух веществ — живого и косного. По своему характеру это не вещество, а динамическая система, что подчеркивает и сам В.И. Вернадский.

Свойства живого вещества

К основным уникальным особенностям живого вещества, обусл