Тема 6.1. Экосистемы (многообразие живых организмов - основа организации и устойчивости биосферы)

O Основные понятия

Понятия об экосистеме и биогеоценозе. Элементы экосистем (биотоп, биоценоз). Биотическая структура экосистем: продуценты, консументы, редуценты как компоненты круговорота, обеспечивающего целостность экосистем.

Биоразнообразие как основа устойчивости живых систем.

Виды природных экосистем (озеро, лес, пустыня, тундра, океан, биосфера).

Пищевые (трофические) цепи, пирамиды. Энергетические потоки в экосистемах, правило 10%.

Экологические факторы: биотические и абиотические факторы, антропогенные факторы Толерантность, пределы толерантности. Формы биотических отношений (хищник-жертва, паразитизм, нейтрализм).

Среда обитания и экологическая ниша

& Краткое содержание

Термин "экология" предложен в 1866 г. немецким биологом Геккелем для обозначения специальной биологической науки об организмах "у себя дома", т.е. о взаимоотношениях организмов, в первую очередь диких, и среды их обитания. Примерно с 60-х годов XX в. под экологией (наукой об окружающей среде) стали понимать науку о различных аспектах взаимодействия организмов между собой и с окружающей средой.

Эта отрасль знаний занимается проблемами взаимодействия природной среды и общества и является своеобразным мостом между естественными и общественными дисциплинами. Яснее представить себе задачи экологии можно, ознакомившись с учением об экосистемах – открытых живых системах, обменивающихся с окружающей природной средой веществом, энергией, информацией. Наименьшей единицей экологии является совокупность существ одного биологического вида – популяция. Любая популяция – элемент экосистемы. Все организмы экосистемы, как автотрофные (преобразующие неорганические вещества в сложные органические), так и гетеротрофные (разлагающие органические вещества на простые неорганические), образуют меж собой трофические (пищевые) связи, замыкающиеся в единый круговорот. Продуценты (автотрофы) à консументы 1 порядка (фаготрофы, поедающие растения) à консументы 2 порядка (фаготрофы, поедающие животных) à сапротрофы (питаются мертвыми тканями). Продуцируемые сапротрофами простые органические вещества усваиваются и перерабатываются автотрофами. Цепочка замыкается. Совокупность всех экосистем образует экосферу. Экологические системы отличаются и по энергетической характеристике, на этой основе экологами выделены четыре фундаментальных типа экосистем:

1. Системы полностью зависимые от солнечного излучения (например океан);

2. Системы, движимые Солнцем, но получающие дополнительную энергию из других природных источников (тропические леса, материковый шельф и др.);

3. Природные системы, движимые Солнцем и получающие энергию от ископаемого топлива (сельское хозяйство, примитивная промышленность);

4. Индустриально-городские системы современности, использующие главным образом энергию ископаемого топлива и ядерную энергию радиоактивных веществ.

Последний тип экосистем крайне нестабилен и недолговечен. Именно он породил основную массу современных экологических проблем, ставящих человечество на грань самоуничтожения, ограничивающих возможности его роста и могущества (согласно одному из докладов международного объединения ученых и общественных деятелей «Римский клуб», если будет продолжаться бесконтрольный рост потребления, производства и населения Земли, то в определенный момент настанет катастрофа). Ситуация, однако, не столь трагична, человек, как разумное существо, способен найти выход из экологического тупика, в который он сам себя загнал бесконтрольным развитием техногенной цивилизации.

 

 

Тема 6.2. Биосфера

O Основные понятия

Понятие о биосфере

Вещество: живое, косное, биокосное, биогенное

Системные свойства биосферы: постоянство массы живого вещества в ходе геологических периодов

Системные свойства биосферы: постоянство числа видов на протяжении геологических периодов

Геохимические функции живого вещества:

- газовая

- концентрационная

- деструктивная

- средообразующая

- энергетическая

Биогенная миграция атомов химических элементов

Биогеохимические принципы миграции: стремление к максимуму проявления

Биогеохимические принципы миграции: эволюция видов, увеличивающих биогенную миграцию

& Краткое содержание

Влияние человека на процессы органической эволюции, биосферу стало в последние десятилетия настолько значительным, что теперь все признают справедливым положение В.И.Вернадского о переходе к управлению эволюцией, к ноогенезу.

К проблемам изучения роли живого вещества в эволюции земной оболочки и биосферы Вернадский пришел через геохимию и изучение эволюции земной коры. Он понял, что все ландшафты, химизм океана и атмосферы – это порождение жизни. Для совокупности всех существующих организмов он ввел термин «живое вещество».

Учение В.И.Вернадского о биосфере предстало как новое научное направление, объединившее в себе всю сумму знаний о живой и неживой природе. Биосферой Вернадский назвал ту область нашей планеты, в которой существует жизнь и которая подвергается воздействию живых организмов.

Термин биосфера ввел австрийский палеонтолог Эдуард Зюсс (1831-1914), но заслуга создания целостного учения о биосфере принадлежит Вернадскому. Биосфера – оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяются совокупной деятельностью живых организмов. Она охватывает часть атмосферы до высоты озонового экрана (20-25 км), часть литосферы, особенно кору выветривания, и всю гидросферу. Нижняя граница опускается на 1-3 км под поверхность суши или под дно океана. Вернадский рассматривая биосферу как область жизни, включающую и организмы, и среду их обитания, выделил семь разных, но геологически взаимосвязанных типов веществ:

- живое вещество,

- биогенное вещество (горючие ископаемые, известняки и др., т.е. вещество, создаваемое и перерабатываемое живыми организмами),

- косное вещество (образуется в процессах, в которых живые организмы не участвуют),

- биокосное вещество (создается одновременно живыми организмами и в ходе процессов неорганической природы, например почва),

- радиоактивное вещество,

- рассеянные атомы

- вещество космического происхождения (метеориты, космическая пыль).

Итак, что же представляет собой биосфера? Органическая жизнь сосредоточена в литосфере (верхняя часть твердой поверхности земной коры), в гидросфере (моря, реки, озера, мировой океан), а также в тропосфере (нижние слои газообразной оболочки земного шара – атмосферы). Нижняя граница опускается на 2 – 3 км на суше и на 1 – 2 км ниже дна океана, а верхней служит озоновый экран на высоте 20-25 км, выше которого ультрафиолетовая часть солнечного спектра исключает существование жизни. К биосфере относятся и человеческое общество с его производством.

Около 99% всего вещества в верхних слоях литосферы трансформировано живыми организмами. Суммарная биомасса живых организмов Земли оценивается приметно в 2,4∙10 12 т.

Основа концепции биосферы – представление о живом веществе. Более 90 % всего живого вещества приходится на наземную растительность (98 % биомассы суши). Живое вещество – наиболее мощный геохимический и энергетический фактором, ведущая сила планетарного развития. Основной источник биохимической активности организмов – это солнечная энергия, используемая в процессе фотосинтеза зелеными растениями и некоторыми микроорганизмами для создания органического вещества. Оно, в свою очередь, обеспечивает пищей и энергией остальные организмы. Фотосинтез привел к накоплению в атмосфере свободного кислорода, образованию озонового слоя, защищающего от ультрафиолетового и жесткого космического излучения, он поддерживает современный газовый состав атмосферы. Жизнь на Земле всегда существовала в форме сложно организованных комплексов разнообразных организмов (биоценозов). Вместе с тем живые организмы и среда их обитания образуют целостные системы - биогеоценозы. Питание, дыхание и размножение организмов и связанные с ними процессы создания, накопления и распада органического вещества обеспечивают постоянный круговорот вещества и энергии. С этим круговоротом связана миграция атомов химических элементов через живое вещество. Так, весь атмосферный кислород оборачивается через живое вещество за 2000 лет, углекислый газ за 300 лет. Большим разнообразием органических и вообще химических соединений характеризуется состав самих организмов. Благодаря живому веществу на планете образовались почвы и органическое минеральное топливо (торф, уголь, возможно – нефть).

Таким образом, важнейшие черты биосферы – ее постоянный материально-энергетический обмен с космосом и существование исключительно в ее пределах живого вещества. Последнее обстоятельство имеет огромное по своей важности значение. Благодаря живому веществу, структура биосферы представляет собой подвижное динамические равновесие – организованность, некую гармонию. Благодаря биосфере – приемнику космического излучения – на всей нашей планете осуществляется активная связь Земли с Космосом. Если бы на Земле не было жизни, не было биосферы, работа солнечного луча сводилась бы к перемещению газообразных, жидких и твердых тел по поверхности Земли и к временному их нагреванию. Солнечная энергии не совершала бы созидательную деятельность. Благодаря живому веществу, и, прежде всего зеленым хлорофилловым растениям, осуществляющим процесс фотосинтеза, сочетания атомов в биосфере характеризуются высокой сложностью химического строения и большими запасами заключенной в них энергии.

Поглощение солнечного излучения осуществляется только растительным миром. Но в удержании и преобразовании энергии Солнца принимает участие все живое вещество планеты. При фотосинтезе образуются углеводы и другие органические вещества, из которых в ходе сложных метаболических преобразований строятся все соединения, входящие в состав растительного организма. Эти соединения, способные к разнообразным химическим превращениям, - основа для жизни всех других организмов биосферы.

Биосфера, по Вернадскому, является закономерным продуктом эволюции Земли и жизнь на нашей планете не случайна. К такому выводу ученый пришел, исследовав химический состав и проследив химическую эволюцию земной коры, убедившись в том, что последние не могут быть объяснены чисто геологическими причинами без учета роли живого вещества в геохимической миграции атомов.

Проявление жизни глубочайшим образом меняют течение всех химических реакций в земной коре, и живое вещество изменяет историю почти всех химических элементов. Биогеохимическая функция биосферы многообразна, но это многообразие имеет единую сущность: в своем глобальном космическом проявлении «сфера жизни» выступает как гигантский аккумулятор и уникальный трансформатор лучистой энергии Солнца.

Усиление влияния живого вещества на среду происходило скачками: это появление скелета у позвоночных, появление птиц, и т.д. Но самый большой скачок совершила природа, когда из ее недр вышел Человек. Началась принципиально новая эпоха в истории Земли.

В процессе эволюции жизни многократно одни группы организмов сменялись другими, но при этом всегда поддерживалось относительно постоянное соотношение форм, выполняющих определенные геохимические функции. Совокупная деятельность живого вещества Земли непрерывно поддерживала режим неорганической среды, необходимой для существования жизни, т.е. гомеостаз (способность биологических систем противостоять изменениям и сохранять постоянство состава и свойств) в организованной биосфере. Кибернетики называют это принципом обратной связи. Поэтому, биосферу это еще и сложная динамическая система, осуществляющая улавливание, накопление и перенос энергии путем обмена веществ между живым веществом и окружающей средой. Вернадский утверждает, что время существования планеты совпадает со временем существования на ней жизни, полагая жизнь космическим явлением. Вся геологическая история Земли протекала при участии и под воздействием биогенных факторов. Однако если для стабильности системы достаточно отрицательной обратной связи, то для ее эволюции необходима положительная обратная связь, когда воздействия на систему накапливаются и способствуют обновлению ее структуры.

Современники Дарвина, геологи Джеймс Дана (1813-1895) и Ле Конт (1823-1901) сделали в 1859 г. эмпирическое обобщение, показывающее, что эволюция идет направленно. В течение всего эволюционного процесса, начиная с кембрия идет увеличение сложности и совершенства строения центральной нервной системы, т.е. мозга. Это явление было названо кефализацией (от лат. кефалос – голова). В итоге человек и человечество выделяются из биосферы и приобретают характер самостоятельного феномена. Масса биологического вида Homo Sapiens в целом ничтожно мала не только по сравнению с массой всей биосферы, но и по сравнению с массой остальных живых существ. Однако человек стал мощным природопреобразующим фактором и начал теоретически (второй уровень отражения) осознавать свою роль в окружающем космосе.

Определяя сегодняшний этап развития биосферы и населяющего ее человечества, можно сказать, что в биосферных процессах все большую роль будут играть техногенные и вообще антропогенные процессы. Последствия влияния человека на природу стали сказываться уже давно и всесторонне. Действия антропогенных факторов на природу бывает прямым или косвенным.

К прямому влиянию относятся факты истребления или, наоборот, размножение и расселения человеком отдельных видов растений и животных.

Косвенное влияние осуществляется посредством изменения среды обитания – климата, гидрологического режима, почв и т.д. При этом применительно к животному миру надо иметь в виду, что его среда обитания в значительной мере формируется растительностью, а последняя очень чувствительна к антропогенным влияниям.

Непосредственное и косвенное влияние антропогенных факторов выходит за чисто биологические рамки, поскольку эти факторы в той или иной мере связаны с социально – экономическими аспектами. В отличие от далекого прошлого влияние человека на природу в настоящее время утратило локальный характер. Достаточно отметить, что в организме пингвинов в Антарктиде обнаружены значительные концентрации ДДТ. Ясно, что подобного рода явления имеют немаловажное значение не только для флоры и фауны, но и для самого человека.

Задача современного естествознания – разработать такую систему мероприятий, которая обеспечила бы функционирование биосферы в новых условиях, неограниченно долгое существование человечества на нашей планете.

В целом можно сказать, что без экологического подхода невозможно переделать в соответствии с требованиями развивающегося человечества все отрасли народного хозяйства, имеющие дела с эксплуатацией природных ресурсов. Успешное развитие общества в перспективе зависит от того, насколько совместимыми окажутся биосферные и антропогенные процессы. Необходимо прогнозировать последствия изменения среды в результате техногенных процессов, решать проблемы утилизации отходов, очистки сточных вод, рекультивации земель и др.

Новым эволюционным состоянием, согласно точке зрения Вернадского, биосферы, является ноосфера, при котором разумная деятельность человека становится решающим фактором ее развития. Ноосфера – качественно новая форма организованности, возникающей при взаимодействии природы и общества. Для нее характерна тесная взаимосвязь законов природы с законами мышления и социально – экономическими законами. Происходит постепенное превращение биосферы в ноосферу, причем ноосферы является закономерным и неизбежным этапом развития самой биосферы, этапом разумного регулирования взаимоотношений человека и природы.

Биосфера – тонкая оболочка Земли, в которой существует живое вещество. С другой стороны как часть Земли, биосфера является и космическим образованием. Вследствие этого она тесным образом связана с Космосом.

Являясь порождением Земли, биосфера, тем не менее, обладает относительной самостоятельностью, и поэтому способна влиять на геологический лик Земли. Так, например, она способствовала обогащению атмосферы кислородом.

Космическое воздействие космоса на биосферу определяется, прежде всего, ближайшими космическими соседями Земли – Луной и Солнцем. Луна, например, вызывает приливы и отливы. Воздействие Солнца носит циклический характер. Биогеосфера как бы дублирует ритмику Солнца.

В основу представлений о воздействии на живое вещество космоса можно положить следующие концептуальные утверждения:

Ø Чтобы жить в согласии с абиотической природой, все живое вынуждено адаптироваться к космическим ритмам. Справедливость этого подтверждается, в первую очередь, недопустимой величиной воздействия космоса на биосферу. Так, например, отрицательно сказывается воздействие на человека и другие живые организмы магнитных бурь.

Ø Именно от солнечной активности зависят погодные и климатические условия, продуктивность сельского хозяйства и даже пики творческой активности деятелей науки и искусства. Однако: законы космоса не могут выразить всю полноту специфики биосферы. В оценке специфики биосферы космоцентризм неуместен.

Ø На ритмику биосферы оказывают влияние биологические факторы, которые могут вызвать нежелательные последствия. Например, эпидемии, пандемии, и даже полное вымирание некоторых видов животных и растений (например, смена папоротниковых растений голосеменными в меловом периоде развития Земли).

Различают циклы:

-

циркадные ритмы

24 часа – время оборота Земли вокруг своей оси;

- 28 часов – время оборота Солнца вокруг своей оси;

- 27 часов – время обращения Луны вокруг Земли;

 

- 1 год – время оборота Земли вокруг Солнца;

- 11,1 года – средний период солнечной активности;

циклы солнечной активности

- 22 года

- 90 лет

- 169 лет

- 600 лет

- 900 лет

		четверть и половина 11-летнего солнечного цикла

- 2,65 года

- 5,5 лет

 

- 26 млн. лет – цикл вымирания морских животных

-

эмоциональный, физиологический и интеллектуальный циклы в жизни человека

23 дня

- 28 дней

- 33 дня