Контрольная работа

СОДЕРЖАНИЕ

1. Энергия в экосистемах. Жизнь как термодинамический процесс    3
2. Принцип стабильности экосистем        6
3. Народонаселение и устойчивость биосферы       8
4. Задача № 7           10
5. Список литературы          12

1. Энергия в экосистемах. Жизнь как термодинамический процесс

Экосистема - это совокупность живых организмов, обменивающихся непрерывно энергией, веществом и информацией  друг с другом и с окружающей средой. Рассмотрим сначала процесс обмена энергией. Энергию определяют как  способность производить работу. Свойства энергии описываются законами термодинамики.

 Первый закон (начало) термодинамики или закон сохранения  энергии утверждает, что энергия  может переходить из одной  формы в другую, но она не  исчезает и не создается заново.

 Второй закон (начало) термодинамики или закон энтропии  утверждает, что в замкнутой системе  энтропия может только возрастать. Применительно к энергии в  экосистемах удобна следующая  формулировка: процессы, связанные  с превращениями энергии, могут  происходить самопроизвольно только  при условии, что энергия переходит  из концентрированной формы в  рассеянную, то есть деградирует.  Мера количества энергии, которая  становится недоступной для использования,  или иначе мера изменения упорядоченности,  которая происходит при деградации  энергии, есть энтропия.

 Чем выше упорядоченность  системы, тем меньше ее энтропия.

Самопроизвольные процессы ведут систему к состоянию  равновесия с окружающей средой, к  росту энтропии, производству положительной  энтропии. Если неживую неуравновешенную с окружающей средой систему изолировать, то всякое движение в ней скоро  прекратится, система в целом  угаснет и превратится в инертную группу материи, находящуюся в термодинамическом  равновесии с окружающей средой, то есть в состоянии с максимальной энтропией. Это наиболее вероятное  для системы состояние и самопроизвольно  без внешних воздействий она  выйти из него не сможет. Так, например, раскаленная сковородка остыв, рассеяв  тепло, сама уже не нагреется; энергия  при этом не потерялась, она нагрела  воздух, но изменилось качество энергии, она уже не может совершать  работу.

 Таким образом, в  неживых системах устойчиво их  равновесное состояние. У живых  систем есть одно принципиальное  отличие от неживых - они совершают  постоянную работу против уравновешивания  с окружающей средой. Это утверждение  имеет следующий термодинамический  смысл: как в неживых системах  устойчиво их равновесное состоянии,  так в живых системах устойчиво  неравновесное состояние.

 Жизнь - это единственный  на Земле естественный самопроизвольный  процесс, в котором энтропия  системы уменьшается. Почему это  возможно?

  Все живые системы  являются открытыми для обмена  энергией.

 В окружающей их  среде есть огромное количество  даровой энергии Солнца, а в  составе самой живой системы  есть компоненты, обладающие механизмами,  позволяющими эту энергию улавливать (извлекать), концентрировать, а затем  снова рассеивать в окружающую  среду. Как рассмотрено выше, рассеивание  энергии, то есть увеличение  энтропии, - это процесс, характерный  для любой системы, как неживой,  так и живой, а самостоятельное  улавление и концентрирование  энергии - это способность только  живой системы. При этом происходит  извлечение порядка, организации  из окружающей среды, то есть  выработка отрицательной энергии  - негоэнтропии. Такой процесс образования  порядка в системе из хаоса  окружающей среды называется  самоорганизацией. Он ведет к  уменьшению энтропии живой системы,  противодействует ее уравновешиванию  с окружающей средой, то есть  росту энтропии, что для живой системы при достижении максимальной энтропии - равновесия с окружающей средой - означает смерть.

 Таким образом, любая  живая система, в том числе  и экосистема, поддерживает свою  жизнедеятельность благодаря,

 во-первых, наличию в  окружающей среде в избытке  даровой энергии;

 во вторых, способности  за счет устройства составляющих  ее компонентов эту энергию  улавливать и концентрировать,  а использовав - рассеивать в  окружающую среду.

  Даровая энергия окружающей  среды - это энергия Солнца. Доходящая  до Земли энергия Солнца распределяется  следующим образом:

33 % ее отражается облаками  и пылью атмосферы (это так  называемое альбедо или коэффициент  отражения Земли );

67 % поглощается атмосферой, поверхностью Земли и океаном.

 Из этого количества  поглощенной энергии лишь около  одного процента расходуется  на фотосинтез, а вся остальная  энергия, нагрев атмосферу, сушу  и океан, переизлучается в космическое  пространство в форме невидимого  теплового (инфракрасного) излучения.  Этого одного процента энергии  достаточно для обеспечения ей  всего живого вещества планеты  и поддержания им состояния  с низкой энтропией. Как распределяется  эта энергия между компонентами  биотической структуры? Улавливают  энергию Солнца и превращают  ее в потенциальную энергию  органического вещества растения - продуценты. Весь остальной живой  мир получает необходимую для  жизнедеятельности энергию, в  основном поедая их. Перенос энергии  пищи от ее источника - продуцента  через ряд организмов, происходящий  путем поедания одних организмов  другими, называется пищевой или  трофической цепью. 

 Как происходит перенос  энергии по трофической цепи? Животное употребило в пищу  растение или консумента более  низкого порядка. Содержащееся  в пище органическое вещество  расщепляется в присутствии кислорода  с выделением энергии. Этот  процесс, обратный фотосинтезу,  называется дыханием. Он имеет  место в каждой клетке живого  организма, поэтому его еще  называют клеточным дыханием. Около  90 % выделившейся энергии расходуется  организмом на поддержание своей  жизнедеятельности, то есть на  обеспечение всех необходимых  ему функций, после чего она  в виде выделяемого организмом  тепла рассеивается в окружающую  среду и по сути дела безвозвратно  теряется для всей живой системы.  И только около 10 % энергии идет  на построение тела, рост и  размножение организма. Именно  эти 10 % энергии и доступны следующему  трофическому уровню. Таким образом,  энергии с переходом от одного  уровня к другому остается  все меньше. Но здесь нужно  иметь в виду, что чем выше  трофический уровень, тем в  более концентрированной форме  содержится в живых организмах  энергия. Это объясняется присущей  только живому веществу спецификой - обладанием механизмами концентрирования  энергии. 

 Таким образом, сначала  улавливание, а затем концентрирование  энергии с переходом от одного  трофического уровня к другому  обеспечивает повышение упорядоченности,  организации живой системы, то  есть уменьшение ее энтропии. Для поддержания низкой энтропии  в равной степени важно, чтобы  у элементов системы были эффективные  механизмы как для улавливания  и концентрации энергии - извлечения  негоэнтропии из окружающей среды,  так и для рассеивания ее  в окружающую среду - освобождение  от накапливающейся положительной  энтропии. В таком сочетании они  есть только в живых системах. 

Поэтому жизнь как термодинамический  процесс представляет собой непрерывный  обмен живых систем с окружающей средой, при котором происходит освобождение от производимой положительной энтропии и извлечение отрицательной, то есть порядка и организации.

Необходимо понимать, что  энтропия уменьшается в конкретной локальной зоне, при этом в окружающей среде она возрастает.

 Таким образом, рост  упорядоченности в одной части  системы приводит к усилению  неупорядоченности в других ее  частях. Для описания поведения  энергии в экосистемах употребляют  термин поток энергии, поскольку  в отличии от циклического  движения веществ превращения  энергии идут в одном направлении.  Энергия, однажды использованная  каким-либо организмом, превращается  в тепло и утрачивается для  экосистемы. Она не может быть  снова "пущена в дело" как  вода или неорганические вещества, по отношению к которым используется  термин круговорот воды и веществ.  Для своей жизнедеятельности  каждый живой компонент, будь  то организм или экосистема, должен  получать от окружающей среды  на входе постоянный приток  дополнительной энергии. Живые  замкнутые термодинамические системы  невозможны.

2. Принцип стабильности экосистем

Популяция - это совокупность организмов одного вида, обитающая в данном месте  в данное время. В природных экосистемах  популяции всех видов, населяющие данный биотоп, находятся в непрерывном  взаимодействии между собой, образуя  биотическое сообщество.

 Когда  экосистема включает небольшое  число видов, пищевые связи  в ней достаточно просты и  очевидны: например, хищник - жертва, паразит  - хозяин, фитофаг - растение и  т.п. Для такого типа отношений  в изменении численности взаимодействующих  видов характерен сдвиг по  фазе.

 Однако  в экосистеме каждый организм  зависит одновременно от нескольких  хищников, нескольких паразитов,  которых всех вместе называют  естественными врагами. Поэтому  в естественных экосистемах речь  идет о равновесии между организмами  данного вида и его естественными  врагами.

 В единой  пищевой сети равновесие значительно  устойчивее и менее подвержено  резким колебаниям, так как разные  враги начинают снижать численность  вида при разной плотности  его популяции. Это значительно  ослабляет изменение популяции  жертвы.  Динамическое равновесие  популяций в экосистеме не  возникает автоматически, а устанавливается  на протяжении многих тысяч  и даже миллионов лет. За  это время виды адаптируются  друг к другу и к среде  своего обитания, так что естественные  враги поэтому сами останутся  без источника существования.  Они лишь ограничивают рост  популяции при повышении ее  плотности.

 Аналогичным  образом у видов есть определенная  устойчивость к естественным  паразитам и болезнетворным агентам,  которые не приводят к полному  вымиранию популяции, но также  регулируют ее плотность. Такое  взаимоприспособление крайне важно  для равновесия популяций, а  следовательно, и экосистем в  целом. Популяции, развивающиеся  в изоляции друг от друга,  как правило, не могут существовать  в равновесии. Например, интродуцированный  вид не всегда сталкивается  с естественными врагами, в  результате чего происходит популяционный  взрыв его численности или,  наоборот, он оказывается слишком  "эффективным" естественным  врагом, уничтожающим другие виды.

 Естественные  экосистемы существуют в течении  длительного времени и находятся  в состоянии равновесия с климатическими, биогеохимическими условиями и  окружающих их другими живыми  организмами, то есть для них  характерна определенная стабильность  во времени и пространстве. Стабильность  обеспечивается за счет сбалансированности  потоков веществ и энергии  и процессов обмена веществ  между организмами и окружающей  средой. Абсолютной стабильности  экосистем быть не может: в  отдельные периоды наблюдаются  отклонения в ту или другую  сторону, которые в целом не  выводят систему из равновесия. Способность системы возвращаться  и поддерживать равновесное состояние  называется гомеостазом. С помощью  гомеостаза регулируются численность  популяций: она может возрастать  до некоторого уровня, затем ограниченность  пищевых ресурсов приостанавливает  рост, и численность начинает  снижаться.

 Устойчивое  увеличение или снижение численности  любой популяции приводит к  изменению экосистемы в целом.  Стабильность популяций означает, что рождаемость в ней уравновешена  со смертностью.

 Различают  локальную и глобальную устойчивость  экосистем, отражающую их способность  противостоять внешним воздействиям. Под локальной устойчивостью  понимают возвращение системы  в состояние равновесия после  незначительных внешних воздействий,  например, восстановление биоценоза  после весеннего речного паводка.  Глобальная устойчивость характерна  для систем, способных восстанавливать  свое равновесие после сильных  возмущений, например, восстановление  разрушенной экосистемы после  извержения вулкана.

 В естественных  биогеоценозах гомеостаз поддерживается  тем, что они открыты для  внешних воздействий: к ним  поступает солнечная энергия,  вещества. В экосистемах, созданных  человеком, равновесие с течением  времени нарушается, и для поддержания  гомеостаза требуется постоянное  вмешательство людей.

 В экосистемах,  несмотря на присущее им свойство  стабильности, идет процесс саморазвития  сообществ – экологическая сукцессия.  Под воздействием внешних сил  один биогеоценоз сменяется другим, более приспособленным к изменившимся  условиям.

 Сукцессия  представляет собой не только  изменение живых организмов, а  всего комплекса абиотических  и биотических факторов. В природе  действует закон сукцессионного  замедления, согласно которому по  мере усложнения сменяющих друг  друга биоценозов в равновесных  системах проявляется тенденция  к большей стабильности и замедлению  смены.

3. Народонаселение и устойчивость биосферы

Говоря о численности  населения планеты, необходимо иметь  в виду две цифры. Во-первых, согласно ресурсной модели мировой системы 70-х годов XX столетия (работы Римского клуба) в качестве предельного значения рассматривается численность населения  Земли на уровне 8 млрд человек. Во-вторых, согласно более поздней теории устойчивости биосферы В.Г. Горшкова как живой  саморегулируемой системы биосфера устойчива и стабилизирует климат З емли при условии, что население  не превышает ~1 млрд. человек. Разница  в цифрах объясняется тем, что  авторы первой модели исходили из допущения, что Земля является для человека лишь источником материальных и продовольственных  ресурсов и что биосфера остается жизнеспособной и сохраняет свойства среды обитания человечества. Основные данные о фактической и прогнозной численности населения Земли  и периодах удвоения численности (величина, обратная скорости роста) представлены на рис. 1.