Стійкість і саморегуляція екосистем

В основі стійкості екосистем і біосфери в цілому лежить широкий комплекс механізмів та їх структурних особливостей. Головний фактор стійкості екосистем - це наявність у ній живої матерії.

Стійкість екосистем у значній мірі пов'язана з рівнем їхньої еволюційної просунутості. Існує думка, що еволюційно більш молоді та прогресивні екосистеми складної організації зі значними ресурсами питомої вільної енергії мають підвищену стійкість. Знижується стійкість екосистемипри спрощенні їхньоїструктури. Саме вона визначає перевагу синтезу та структурування над процесами розпаду. Надає стійкості екосистемі різноманітність форм життя. Стійкість екосистем залежить від стійкості організмів та популяцій, які до неї входять. Стійкість організмів та популяцій проявляється у їх здатності до самопідтримки та збереження в умовах несприятливих зовнішніх впливів.

Основою стійкості живих організмів є їх здатність до адаптації. Адаптація може бути визначена як відповідність між організмом та його середовищем. В епоху глобального антропогенезу особливо важливе значення отримала стійкість живих істот до різного роду хімічних речовин, які в природному середовищі відсутні. За рахунок преадаптації живі організми здатні протистояти шкідливому впливу хімічних речовин. Адаптація - це не тільки властивість організмів, це й властивість популяцій. На популяційному рівні адаптація проявляється у формуванні гетерогенного складу популяції та появі в них екотипів - особливих форм, що відрізняються характером пристосувань до середовища та розширюють амплітуду умов, в яких може вижити даний вид.

Більш стійкими виявляються генетично мінливі, лабільні популяції, які швидше пристосовуються до змін умов існування. За наявністю складної внутрішньо популяційної структури рослини та тварини більш стійкі та життєздатні. Таким чином, біологічне різноманіття є інтегральною формою варіабельності живої матерії, формою її існування, і тому є однією з об'єктивних цінностей природного середовища.

При розгляді розвитку будь-яких біосферних структур, від організмів до всієї біосфери, варто мати на увазі співвідношення стихійного та розумного початку. Перші фази розвитку соціуму здійснювалися в умовах явного переваження стихійного розвитку. Саме так змінювали одне одного такі важливі етапи, як одомашнення диких тварин, виникнення осілості та хліборобства, науково-технічна революція. В усіх цих випадках домінував саморозвиток. Новим етапом у розвитку соціуму, до якого наблизилося людство на рубежі ХХI століття є формування екологічного суспільства. Він вимагає відмови від загальноприйнятої орієнтації на зростання матеріального багатства. Цей етап уже не може здійснитися як стихійний розвиток. Він може бути реалізований тільки системою свідомих дій та знаменує перехід від етапу стихійного до етапу самоправного розвитку соціуму, коли як кожна окрема людина, так і суспільні об'єднання різних рангів аж до держави, усвідомлять, що вони є частками біосфери, та беруть участь у її регулюванні.

Практична частина

Приклади розв’язання задач

Приклад 1.1.1

На кімнатну рослину із загальною біомасою 500 г падає енергія видимого світла 2,8 кДж/добу. Розрахуйте, чи ростиме рослина або загине.

Розв’язання: Враховуючи, що для забезпечення нормальної життєдіяльності рослини необхідний приріст біомаси на 1 г - 4 мг/годину, розрахуємо який приріст повинен бути у рослини із загальною біомасою 500 г за добу:

4 мг/г. годину · 24години 500г. = 48000мг.= 48г..

Таким чином, для забезпечення нормальної життєдіяльності рослини необхідний приріст біомаси за добу дорівнює 48 г.

Визначимо кількість енергії, яка пішла на створення біомаси:

2,8кДж – складає 100%

Х – складає 1%, тоді: Х=2,8·1 /100 = 0,028 (кДж).

У перерахунку на глюкозу, реакція фотосинтезу має вигляд:

6CO₂ + 6H₂O + 2818,7 кДж = С₆ H₁₂O₆ + 6O₂

Визначимо відносну молярну масу глюкози:

М (С₆ H₁₂O₆) = 6·12 + 12·1 + 6·16 = 180

Враховуючи рівняння (1) маємо:

На синтез 180г. глюкози було затрачено 2818,7 кДж

на синтез Х г. глюкози було затрачено 0,028 кДж, тоді:

Х=0,028·180 / 2818,7 = 0,0018 (г.)

Відповідь: Таким чином, для забезпечення нормальної життєдіяльності рослини необхідний приріст біомаси за добу дорівнює 48 г., а у нас тільки 0,0018г., отже рослина загине.

Приклад 1.1.2. При здійсненні фотосинтезу рослина виробила 2,8 л кисню. Скільки знадобиться для цього рослині води з урахуванням транспірації?

Розв’язання: У перерахунку на глюкозу, реакція фотосинтезу має вигляд:

6CO₂ + 6H₂O + 2818,7 кДж = С₆ H₁₂O₆ + 6O₂ (1)

Визначимо масу кисню, який міститься у 2,8 л кисню:

22,4л. об’єм 1 г· моля

2,8 л об’єм Х г· моля, тоді:

Х= 2,8·1 / 22,4 = 0,09(г· моль)

Маса 1-го моля кисню дорівнює 32 г., тоді маса 0,09 моль буде:

32 г.· 0,09= 2,86 г.

Розрахуємо приріст рослини за той час, коли вона виробила 2,8 л кисню: Враховуючи рівняння (1) маємо:

при синтезі 1моля глюкози виділяється 6 молей кисню, тобто

при синтезі 180г глюкози виділяється 6·32г кисню,

а при синтезі Х г глюкози виділяється 2,86г кисню, тоді:

Х=180·2,86 / 6·32 = 2,7г. С₆ H₁₂O₆

Враховуючи те, що на 1г виробленої біомаси рослина витрачає з урахуванням транспірації 500мл. води, розрахуємо скільки знадобиться H₂O для вироблення 2,7г. біомаси рослини:

на вироблення 1г. біомаси витрачається 500мл. H₂O

для вироблення 2,7г. біомаси витрачається Х мл. H₂O,

тоді:Х=2,7·500 / 1 =1350мл.= 1,350л.

Відповідь: Для вироблення 2,7г. біомаси у процесі фотосинтезу рослині знадобилося 1,350л. води з урахуванням транспірації.

Завдання для самостійного вирішення

Задача 1.1.1. У одному літрі стічної води міститься 5 г органічних забруднень. Який об'єм кисню повинні використовувати організми сапрофіти, щоб розкласти органічні залишки в перерахунку на глюкозу в 15 м³ такої води? Який об'єм повітря необхідно прокачати для цього через воду?

Задача 1.1.2. При розкладанні органічної речовини ґрунтовими мікроорганізмами виділилося у формі тепла 4982,8 кДж енергії. Розрахуйте, яка початкова маса цієї речовини в перерахунку на глюкозу.

Задача 1.1.3. При спалюванні палива в котельній підприємства в повітря викидається 5 г/сек. вуглекислого газу. Котельна працює в зимовий період протягом 6 місяців цілодобово. Розрахуйте, яка повинна бути площа зелених насаджень поблизу підприємства, щоб повністю переробити цей вуглекислий газ?

Задача1.1.4. Реактивний лайнер при перельоті з Америки до Європи витрачає по 7 тонн кисню. Яка повинна бути площа лісу, здатна відтворити кисень, споживаний лайнером за рік, якщо врахувати, що політ здійснюється 2 рази на тиждень?

Задача 1.1.5. Площа водоймища складає 2500 м². Площа водоймища, зайнята зануреними водними рослинами – 100 м². За допомогою розрахунку покажіть, чи досить цієї рослинності, щоб підтримувати необхідну для життєдіяльності гідробіонтів концентрацію кисню.

Задача 1.1.6. Розрахуйте, скільки вуглекислого газу необхідно засвоїти рослині, щоб його біомаса (у перерахунку на глюкозу) збільшилася на 1,5 г? Скільки при цьому виділиться кисню? Яка при цьому повинна бути мінімальна початкова біомаса рослини (його зелених частин)?

Задача 1.1.7. При здійсненні фотосинтезу рослина виробила 2,8 л кисню. Скільки знадобиться для цього рослині води з урахуванням транспірування?

Задача 1.1.8. На кімнатну рослину із загальною біомасою 500 г падає енергія видимого світла 2,8 кДж/добу. Розрахуйте, чи ростиме рослина або загине.

Задача 1.1.9. В результаті розкладання органічної речовини ґрунтовими мікроорганізмами виділилося у вигляді тепла 6372,8 кДж енергії. Розрахуйте масу кисню, який при цьому було поглинено.

Задача 1.1.10. Поясніть чому при здійсненні фотосинтезу в зелених частинах занурених водних рослин pH середовища збільшується? Відповідь обґрунтуйте, супроводжуючи його рівнянням реакції.

Довідкова частина

1.1.1. Основне рівняння фотосинтезу:

У перерахунку на глюкозу, реакція фотосинтезу має вигляд:

1.1.2.Основне рівняння розкладання органічної речовини у перерахунку на глюкозу:

1.1.3. Значення pH середовища: pH = -lg [H+], де [H+] –концентрація іонів водню, г-іон /л.

1.1.4. 1 г-моль будь-якого газу займає об'єм 22,4 л в нормальних умовах.

1.1.5. Людина за одну годину вдихає 0,0036кг O₂ , і видихає 0,005 кг CO_2.

1.1.6. 1 га лісу в рік поглинає 10 т CO₂ і виділяє 20 т кисню.

1.1.7. На 1 г виробленої органічної речовини рослина витрачає, з урахуванням транспірації, 500 г води; для засвоєння 1 г СО₂ рослина транспортує 100 г води.

1.1.8. Концентрація кисню у воді водоймища, необхідна для нормальної життєдіяльності бентосу - 6-12 мг/л.

1.1.9. Для забезпечення життєдіяльності рослини необхідний приріст біомаси на 1 г - 4 мг/година.

1.1.10. 1 м² занурених водних рослин у водоймищі виділяє в рік 2 кг кисню.

1.1.11. Людині на рік необхідно 10⁶ кКал енергії їжі.

1.1.12. При викурюванні однієї сигарети вагою 1,5 г в повітря поступає 40% кадмію у вигляді окислу кадмію. Вміст кадмію в тютюні 0,0003%.