Лекции по экологии

     В основе саморегуляции лежит принцип  обратной связи.

     Гомеостаз достигается системой физиологических  регуляторных механизмов. У высокоорганизованных животных наиболее важную, интегрирующую функцию выполняют центральная нервная система и гормональная система.

     Принцип самоорганизации проявляется на всех уровнях биологических систем.

     Всем  организмам свойственно воспроизводить себе подобных, обеспечивая непрерывность  и преемственность жизни. Все процессы размножения можно свести к трем основным формам: бесполому, вегетативному и половому.

     Весь  процесс индивидуального  развития организма называется онтогенезом.

     Основными этапами формирования биосферы являются:

• архейская эра – путь от предбиотов к многоклеточным организмам, появился половая форма размножения, произошло разделение жизненных форм на растения и животных;
• протерозойская эра – перераспределение площадей суши, развитие многоклеточных организмов, расцвет водорослей и бактерий, жизнь стала геологическим фактором, живые организмы начали образовывать биосферу;
• палеозойская эра, которая разделяется на периоды: кембрий, ордовик, силур, девон, карбон, пермь (названия давались, обычно, по месту первого описания горных пород, относящихся к данному периоду),  на этом этапе формируется озоновый слой, происходит выход растений и животных на сушу, образование больших пластов каменного угля;
• мезозойская эра подразделяется на триас, юрский и меловой периоды, на этом этапе происходит горообразование, господство голосеменных растений и пресмыкающихся животных, распространение цветковых растений, в конце этапа происходит резкое похолодание, преимущества получают теплокровные животные;
• кайнозойская эра продолжается  сейчас. В время произошел расцвет цветковых растений, насекомых, птиц и млекопитающихся. Кайнозойскую эру разделяют на третичный и четвертичный периоды. В третичном периоде  устанавливается теплый равномерный климат, в котором развиваются высокоорганизованные формы жизни, к концу периода сформировались все современные группы млекопитающихся. В четвертичном периоде наступило резкое похолодание, что привело к изменению растительного и животного мира (кустарники, степи).

     В соответствии с учением В.И. Вернадского  структура биосферы включает:

1. живое вещество (микроорганизмы, растения, животные);
2. биогенное вещество (создаваемое и перерабатываемое живыми организмами на протяжении геологической истории – каменный уголь, нефть, известняки и т.п.);
3. косное вещество (неорганические соединения);
4. биокосное вещество (вещество, создаваемое одновременно в процессе взаимодействия живых организмов со средой -  почва, ил);
5. вещество находящееся в процессе радиоактивного распада;
6. рассеянные атомы, образованные в результате воздействия космических излучений;
7. вещество космического происхождения.

     Основную  роль в биосфере играют первые четыре компонента.

     В соответствии с учением В.И. Вернадского  биосфера выполняет следующие основные функции:

1. газовую;
2. кислородную;
3. окислительную;
4. кальциевую;
5. восстановительную;
6. концентрационную;
7. разрушение органических соединений;
8. восстановительного разложения органики;
9. метаболизм – обмен веществ.

     С учетом современных научных данных к основным функциям биосферы относят:

• энергетическую ( фотосинтез);
• газовую (поддержание состава атмосферы);
• концентрационную (избирательное накопление элементов в организмах);
• деструктивную (разложение органики);
• средообразующую (трансформация химических веществ).

     Биосфера  охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу, верхнюю часть литосферы.

     Атмосфера состоит из:

• тропосферы – толщина от 7 до 18 км, ¾ массы всей атмосферы, температура снижается при подъеме на каждые 100м на 0,6 ^оС,  т.е. температура колеблется от 40 до –50 градусов Цельсия;
• тропопаузы;
• стратосферы – протяженность около 40 км, до 20-30 км температура постоянна - 50°C,  выше начинает повышаться и на высоте 50 км достигает 10°C, в пределах стратосферы расположен озоновый слой, интенсивно поглощающий ультрафиолетовое излучение;
• стратопаузы;
• мезосферы – до 80 км;
• ионосферы – температура растет и достигает на высоте 200 км 500°C, температура определяется по кинетической энергии отдельных атомов или молекул;
• экзосферы – от 800 до 1600 км.

     Для большинства животных организмов верхним  пределом является высота 8-10км.

     Гидросфера  – водная оболочка Земли. Мировой океан занимает 71%  поверхности планеты и включает около 96% общего запаса свободной воды. Средняя соленость океанической воды – 35г/л.  70% пресной воды заключается в ледниках По вертикали гидросфера делится на эуфотическую зону, которая определяется глубиной проникновения солнечного света (около 200м) и деятельностью фотосинтезирующих организмов, и афотическую зону, где обитают живые организмы, использующие готовое органическое вещество.

     Литосфера – внешняя относительно прочная  оболочка Земли, включающая земную кору и часть верхней мантии Земли. Жизнь в литосфере концентрируется только в поверхностном слое, в основном в почве, которую В.И. Вернадский характеризовал как смесь остатков живых организмов и косных веществ.

       Круговорот веществ и  энергии   в природе  обеспечивают динамическое равновесие биосферы.  В общем круговороте  выделяют движение воды и твердого вещества, абиотический  или большой геологический круговорот и биотический или малый круговорот. Малый биотический круговорот является частью большого, его скорость значительно выше. В этом процессе принимают участие все виды живых организмов, которые являются звеньями одной цепи. Связь звеньев выражается в том, что вещество и энергия предшествующего звена потребляются и перерабатываются в последующем звене. Это происходит до возвращения вещества к исходному состоянию.

     Растения  аккумулируют энергию, травоядные поглощают  ее, плотоядные  продолжают цикл, деструкторы  разлагают остатки органики, растения используют эти остатки для своей  деятельности.

     Наиболее значимыми биогенными элементами являются:

• углерод;
• кислород;
• фосфор;
• азот;
• сера.

     Круговорот  воды в природе во многом определяет условия жизни. Он происходит по следующей  схеме. Вода  переходит в атмосферу  с водных поверхностей, из почвы, путем  транспирации (испарения с поверхности листьев растений). Поднимаясь в атмосферу и охлаждаясь, водяной пар конденсируется. В атмосфере водяной пар переносится воздушными потоками, выпадает на поверхность в виде дождя, града или снега. Выпавшие осадки не все достигают поверхности, часть перехватывается растениями и испаряется с них. Попав на почву одна часть воды стекает по поверхности в озера, моря и океаны, а другая просачиваясь, очищается и скапливается в подземных водоемах или выходит к руслам стоков.

       С появлением жизни на Земле геологический круговорот дополнился биотическим, в котором большую роль играет процесс транспирации. С влагой растения потребляют из почвы минеральные и органические вещества, благодаря транспирации растения регулируют температуру, защищаясь от перегрева.

     Объемы  воды, проходящие через растения огромны. Для образования    1т биомассы  необходимо 300-500 м³ воды. 

     Круговорот  веществ определяет условия жизни  человека на планете. Знания об особенностях взаимодействия компонентов биосферы при этом процессе необходимы, т.к. последствия от  деятельности человека стали соизмеримы с результатами геологических процессов.

     Биохимические процессы в живом мире поддерживаются внешней Солнечной энергией и  сводятся к синтезу и разложению органических веществ. Люди активно вмешиваются в этот естественный процесс, но сохранение существующего состояния среды возможно только при динамичном балансе скоростей биологического синтеза и разложения при сохранении замкнутости круговорота веществ. Основную роль в поддержании динамического равновесия играет биота.

       Биота – совокупность видов  организмов (флоры и фауны), объединенных  общей областью распространения.  В отличии от биоценоза может  характеризоваться отсутствием  экологических связей между видами.

     Биота компенсирует неблагоприятные воздействия катастрофических процессов путем направленного изменения концентраций биогенных элементов в окружающей среде в соответствии с принципом Ле-Шателье.

     Принцип Ле-Шателье  выражается в следующем: внешнее воздействие, выводящее систему из термодинамического  равновесия, вызывает в ней процессы, стремящиеся ослабить результат этого воздействия. Следовательно, изменения в системе стараются компенсировать результаты возмущения. Например, избыток диоксина переводится биотой в малоактивные органические формы, а недостаток компенсируется разложением органических запасов, содержащихся в  торфе, гумусе  и гидросфере.

     Условия динамического равновесия создавались  на протяжении всей истории биосферы. Происходил эволюционный переход от одного устойчивого состояния биоты и среды к другому. Вся система  развивалась и усложнялась. Изменение биоты влияет на окружающую  среду  сотни лет, поэтому нарушение структуры биоты в ходе хозяйственной деятельности человека представляет огромную опасность для цивилизации в будущем.

     Рассмотрим  основные экологические факторы, т.е. элементы среды, которые способны оказывать  прямое или косвенное влияние  на живые организмы, хотя бы на протяжении одной из фаз их развития.

     Живые организмы реагируют на них приспособительными реакциями, выработанными в ходе эволюции. Один фактор может вызывать различный отклик у разных организмов.

     Важнейшими  абиотическими факторами на суше являются:

• лучистая энергия Солнца;
• влажность воздуха;
• осадки;
• движение воздушных масс;
• давление атмосферы;
• состав почвы;
• рельеф местности.

Факторы водной среды:

• температурная стратификация (изменение температуры по высоте водоема);
• прозрачность;
• соленость;
• кислотность;
• газонасыщенность;
• компонентный состав.

     Биотические факторы  - совокупность влияния жизнедеятельности одних организмов на другие. Эти влияния носят самый разнообразный характер и проявляются при совместном обитании. Воздействия могут быть прямыми и косвенными, периодическими и апериодическими. Подробнее взаимодействие живых организмов рассмотрено ниже. 

     Тема 3. Экологические  системы, структура  и условия устойчивости 

     Все процессы преобразования всегда сопровождаются потерями  энергии. Энергетической основой кругооборота веществ на Земле является Солнце. Его энергия  в разных формах накапливалась на планете в течение 4,5 млрд. лет. Распределение солнечной энергии в зависимости от широты определяет положение основных климатических зон. В перераспределении солнечной энергии большую роль играют атмосфера и гидросфера.

     К внешней части атмосферы подводится энергетический поток мощностью 173*10⁹ МВт. Около 30% этого излучения рассеивается  или отражается, 20% поглощается, проходя через атмосферу. Основная часть солнечной энергии, достигшей поверхности планеты, поглощается гидро- и литосферой, часть идет на испарение воды и только около 0,02%  (около 40*10⁶ МВт) энергии аккумулируется растениями. Для сравнения, установленная мощность всех электростанций СССР в конце 1990 года составляла 344*10³МВт, в России на конец 1998 г. – 214,1*10³ МВт.