экзамен магистратура экология. 1. Экология как наука. Место экологии в структуре человеческого знания. В начале xx в сформировалась новая биологическая наука экология. Термин экология
 Скачать 2.4 Mb.
|
|
21. Энергетический баланс Земли. Организмы в экосистеме связаны общностью энергии и питательных веществ. Энергия определена, как способность совершать работу и живые организмы нуждаются в энергии для поддержания жизни. Поток энергии - переход энергии в виде химических связей и органических соединений (пищи) по цепям питания от одного трофического уровня к другому (более высокому). В отличие от веществ, которые непрерывно циркулируют в экосистеме и всегда могут вновь входить в круговорот, энергия может быть использована только один раз, т. е. Это линейный поток. Односторонний поток энергии происходит в результате действия законов термодинамики. Энергия может существовать в виде различных взаимопревращаемых форм, т.к. механическая, химическая, тепловая, электрическая. Первый закон термодинамики гласит, что энергия может превращаться из одной формы в другую, но не может быть вновь создана или исчезнуть (пример: переход энергии света в потенциальную энергию пищи). Второй закон утверждает, что энергия при совершении работы не используется на все 100 % и часть ее превращается в тепло. Живые организмы преобразуют энергию, и каждый раз, когда происходит превращение энергии, часть ее теряется в виде тепла. В конечном итоге все энергия, которая поступает в биотический компонент, рассеивается в виде тепла. Существование всех экосистем зависит от постоянного притока энергии, которая необходима организмам для поддержания жизнедеятельности и само воспроизводства. Важной характеристикой потока энергии является его скорость. Скорость потока энергии – количество энергии, выраженное в энергетических единицах, перемещенное с одного трофического уровня на другой в единицу времени. Баланс солнечной энергии – не вся энергия может усваиваться и использоваться организмами. Отражается 30%, превращается в тепло 46%, идет на транспирацию 23%, на механическую работу 0.2%, на фотосинтез 0.8%. (в живом растительном организме.) солнечная постоянная (кол-во Е, приходящей к верхней границе атм.)=1,98 кал/кв.см*мин Трофический подход в передаче энергии (схема трофической цепи) Энергия распространяется в космическом пространстве в виде электромагнитных волн, и лишь небольшая ее часть захватывается Землей 10,5 *106 кДж /м2. Из нее 31% отражается, 17% поглощается атм, 52% доходит до поверхности Земли, 4% Земля отражает, 48% поглощает, из них 18 % на эффективное излучение, 22% испарение, 8% обмен с атмосферой. Вся энергетическая система Земли состоит из двух частей: * динамического потока энергии;— над поверхностью Земли; * статического запаса энергии, т. е. органического топлива, ядерной и геотермальной энергии; на рисунке — под поверхностью Земли. На поверхность и атмосферу Земли направлены три потока энергии: * солнечное излучение мощностью 1 744 ООО ТВт; * гравитационная энергия планет (3 ТВт); * тепловой поток из середины Земли (30 ТВт). Около 30 % (52 ООО ТВт) солнечного излучения отражается в космическое пространство и не влияет на энергетический баланс Земли. Остальные 70 % солнечного излучения, составляют основную часть энергетического баланса Земли. Некоторая часть этой энергии поглощается атмосферой, сушей, океаном и превращается в тепловую энергию, которую с помощью технических устройств можно использовать в виде тепловой и электрической энергии. Под действием другой части энергии (40000 ТВт) происходят испарение, циркуляция и выпадение воды, что приводит к возникновению рек, морей и океанов. Третья часть энергии (370 ТВт) является причиной температурных перепадов, приводящих к возникновению атмосферных потоков воздуха (ветер). Четвертая, самая малая часть энергии (40 ТВт, или 0.03 % общего потока), поглощается растениями и в результате процессов фотосинтеза накапливается в виде органических соединений. Этот поток энергии — один из самых важных — благодаря нему осуществляются физиологические процессы всех живых организмов. При фотосинтезе в химическую энергию превращается только 1…2 % солнечной энергии. Горючие ископаемые (уголь, торф, нефть) произошли также благодаря энергии Солнца — материалом для них служили остатки растительности и живых организмов, которые в результате долгосрочных процессов без доступа воздуха и под действием высокой температуры и давления превращались в торф, уголь и нефть. Таким образом, на протяжении миллионов лет проходил процесс накопления солнечной энергии. Из сравнения вклада человечества в энергообеспечение возобновляемых и не возобновляемых источников энергии и их энергетических потоков следует, что в настоящее время используется лишь мизерная часть потоков энергии возобновляемых источников. Запасы органического и ядерного топлива. На основе данных различных источников информации, в том числе и данных Мирового энергетического совета, проведена количественная оценка запасов органического и ядерного топлива с учетом масштабов и сроков их потребления. Для количественной оценки органического топлива использованы следующие термины. Термин «разведанные запасы энергоресурсов» включает в себя разведанные запасы энергоносителей, наличие которых определено достаточно достоверно, а их количество — достаточно точно.. Понятие «потенциальные запасы» включает в себя разведанные запасы и прогнозные запасы энергоресурсов. Прогнозные запасы — это запасы энергоресурсов, наличие которых достоверно доказано, но их добыча требует применения новых, еще не разработанных в настоящее время технологий. Потенциал возобновляемых энергоресурсов. Значения энергетического потенциала возобновляемых энергоресурсов в разных литературных источниках значительно различаются. Для его более точной оценки, а также оценки возможных объемов его практического использования проведено разделение потенциала на три вида: общий, технический и целесообразно экономический. Общий или валовый потенциал — это общее количество энергии, которым характеризуется каждый из известных источников энергии (иногда его называют теоретическим). Технический потенциал — это часть энергии общего потенциала, которую можно реализовать с помощью современных технических устройств; эту часть энергии общего потенциала еще называют потенциальный энергоресурс. Целесообразно экономический потенциал — это то количество энергии, которое целесообразно использовать с учетом экономических, экологических, социальных, технико-технологических и политических факторов. общий годовой потенциал возобновляемых энергоресурсов превышает потенциальные запасы органического и ядерного топлива в 15 раз и почти в 80 раз разведанные запасы энергоресурсов. Технический потенциал несколько превышает современное потребление энергии, а целесообразно экономический может быть больше его на 40…45 %. Эго свидетельствует о громадных доступных ресурсах нетрадиционной энергетики, практически невостребованных в настоящее время. 22. Круговорот и история кислорода атмосферы. Кислород — второй по распространенности атмосферный газ, который играет исключительно важную роль в геохимии биосферы. Господствующей формой существования его в атмосфере является молекула O2. Однако в верхних слоях атмосферы под влиянием ультрафиолетовой радиации Солнца происходит диссоциация молекул O2, которая свыше 100 км довольно резко возрастает, а на высоте 200 км отношение O:O2становится равным 10. При взаимодействии молекулярного и атомарного кислорода преимущественно в пределах высот 20—30 км возникает озон O3. На заре развития Земли свободный кислород возникал в очень малых количествах в результате фотодиссоциации молекул углекислого газа, окиси углерода и молекул воды в верхних слоях атмосферы. Но эти малые количества быстро расходовались на окисление других газов. С появлением в океане автотрофных фотосинтезирующих организмов все изменилось. Количество свободного кислорода стало прогрессивно возрастать, активно окисляя многие вещества окружающей среды. Так, свободный кислород быстро окислял СО, СН4, NH3, а сернистые газы S, SO2, H2S были превращены в сульфаты океанической воды. До накопления значительных масс свободного кислорода в атмосфере кислород стал активно окислять многие вещества, распространенные на поверхности суши и растворенные в морской воде. В частности, первые порции свободного кислорода фотосинтетического происхождения способствовали в первую очередь переходу закисных форм соединений железа в окисные и сульфидов в сульфаты. Поливалентные элементы превращались в соединения с максимально возможными значениями валентности. Изучение изотопной истории кислорода атмосферы А. П. Виноградовым показало, что свободный кислород образовался главным образом в результате фотосинтетического разложения воды и в меньшей степени — углекислоты. В конце концов количество свободного кислорода в атмосфере достигло определенного уровня и оказалось сбалансированным таким образом, что стало равным количеству поглощаемого. В атмосфере установилось относительное постоянное содержание свободного кислорода. По оценке Г. Холленда, общее количество свободного кислорода, выделившееся за всю историю Земли, составило 181* 1020т. Вторым по содержанию в атмосфере после азота является кислород, составляющий 20,95% ее по объему. Гораздо большее его количество находится в связанном состоянии в молекулах воды, в солях, а также в оксидах и других твердых породах земной коры, однако к этому огромному фонду кислорода экосистема не имеет непосредственного доступа. Время переноса кислорода в атмосфере составляет около 2500 лет, если пренебречь обменом кислорода между атмосферой и поверхностными водами. Свободный кислород атмосферы и кислород, растворенный в гидросфере, образуются в результате двух процессов расщепления воды: 1. при фотохимическом расщеплении воды хлорофиллсодержащими структурами организмов-фотосинтетиков- растений и цианобактерий 2. при фотохимических реакциях расщепления воды в атмосфере(небольшая часть) Источником энергии в том и другом случае для расщепления воды до кислорода и водорода является световая энергия Солнца. Под действием высоких энергий – коротковолновых УФ лучей солнца и грозовых разрядов в атмосфере свободный кислород превращается в озон(О3). В наибольших масштабах это происходит на границе тропосферы(6-20км) и стратосферы, где формируется озоновый слой, кроме того, в небольших объемах озон образуется у поверхности земли. Механизм круговорота кислорода достаточно прост. Полагают, что молекула кислорода (О2) , образующаяся при фотосинтезе, получает один свой атом от диоксида углерода, а другой - от воды; молекула кислорода, потребляемая при дыхании, отдает один свой атом диоксиду углерода, а другой - воде. Таким образом, круговорот кислорода завязан на процессы фотосинтеза и дыхания. Фотосинтез. 6СО2 + 6Н20 (свет, хлорофилл)= С6Н1206 + 602. При последующем разложении органического вещества расходуются количества кислорода, адекватные произведенным при их синтезе: Дыхание. С6Н1206 + 602 = 6СО2 + 6Н20 + энергия.  23. Структура гидросферы земли. Характеристика биотического и абиотического компонента гидросферы. Гидросфера — это водная оболочка Земли. К ней относят: поверхностные и подземные воды, а также вода, выпадающая в виде осадков, ледники и снежники. Мировой океан 70,8% территории. На Мировой океан приходится 94% объема гидросферы. Мировой океан делится материками на четыре океана: Тихий океан, Атлантический океан, Индийский океан, Северный Ледовитый океан. На пресные воды приходится всего 2% . Большая часть пресных вод (85%) сосредоточена во льдах полярных зон и ледников. Возобновление пресных вод происходит в результате круговорота воды Структура: подводная окраина материков (шельф, материковый склон и материковое подножие), переходные зоны от океана к материку, в частности системы островных дуг со свойственным им интенсивным вулканизмом и сейсмичностью; ложе океана и срединно-океанические хребты. Дно океана образует земная кора океанического типа с малой мощностью (8-10 км) и отсутствием гранитно-метаморфического слоя. Ложе океана сложено базальтами; на них залегает чехол глубоководных осадков, мощность которых уменьшается, а подошва омолаживается по направлению к срединно-океаническим хребтам. Вертикальная структура: океан: 100-200м – зона мах продуктивности, базис действия волн. Озеро: зона ФС, эпилюмнион (гидробиологически активен), термоклин, гиполюмнион (практ.безжизненный). Средняя соленость воды Мирового океана 3,5%, в тропических морях соленость может достигать 42. Сильно опреснены воды в устьях крупных рек. В пресных преобладают карбонаты (до 80%). В океанической воде преобладают хлориды и отчасти сульфаты. В морской воде растворены практически все элементы периодической системы, включая металлы Водные объекты характеризуются температурной стратификацией, т.е. изменением температуры воды по глубине. Температурный режим имеет существенные суточные, сезонные, годовые колебания, но в целом динамика колебаний температуры воды меньше, чем воздуха. Световой режим воды под поверхностью определяется ее прозрачностью (мутностью). От этих свойств зависит фотосинтез бактерий, фитопланктона, высших растений, а, следовательно, и накопление органического вещества, которое возможно лишь в пределах эвфотической зоны, т.е. в том слое, где процессы синтеза преобладают над процессами дыхания. Мутность и прозрачность зависят от содержания в воде взвешенных веществ органического и минерального происхождения Роль: Мировой океан — мощный накопитель тепла и регулятор теплового режима Земли. Если бы океана не было, средняя температура поверхности Земли составила бы -21 °С, то есть была бы на 36° ниже той, которая имеется в действительности. круговорот воды на Земле. биологические ресурсы. В Мировом океане обитает более 160 тыс. видов животных и около 10 тыс. видов водорослей. Шельф Мирового океана располагает огромными запасами нефти и газа, крупными запасами железо-марганцевых руд и других полезных ископаемых. Поддерживает равновесие СО2  24. Ритмика и цикличность процессов в живой и неживой природе. В природе все подчинено определенным ритмам. Периодические изменения в живой и неживой природе происходят чаще всего под влиянием космических факторов (вращение небесных объектов – Земли, Луны, Солнца и т. д.; пространственная ориентация осей вращения; а также более сложные явления типа 11-летнего цикла солнечной активности). По характерным периодам действия ритмы бывают разного уровня. Большинство изменений вокруг нас происходит в суточном и годичном ритмах, которые возникают из-за вращения Земли в пространстве. Вращение вокруг собственной оси дает смену дня и ночи, а вращение вокруг Солнца вместе с наклоном земной оси – смену времен года. Эти ритмы действуют в антропной шкале времени, т. е., в шкале, соизмеримой с жизнью человека. Один из важных путей воздействия света на живой организм связан с восприятием изменений длины светового дня в течение года (фотопериода). На экваторе длина светового дня постоянна и составляет примерно 12 часов, но чем дальше от экватора, тем больше будут сезонные колебания длины дня. Поэтому продолжительность дня является очень важным внешним фактором в умеренных широтах, где она изменяется в течение года в пределах примерно от 9 до 15 часов. Действие фотопериода на растения. У растений такие явления, как цветение, образование плодов и семян, переход почек и семян в состояние покоя, листопад и прорастание семян тесным образом связаны с сезонными изменениями длины дня и температуры. Наиболее глубокие изменения происходят во время цветения, когда меристема побегов переключается с образования листьев и боковых почек на образование цветков. Значение фотопериода было открыто еще в 1910 году, но впервые было четко описано только в 1920 г Гарнером и Аллардом. Эти авторы показали, что растения табака зацветают лишь после выдерживания на коротком фотопериоде в течение нескольких дней. Когда был исследован и ряд других растений, выяснилось, что некоторым растениям для цветения нужен длинный день (растения длинного дня), а некоторые зацветают, как только созреют, независимо от длины дня (растения, нейтральные в отношении фотопериода). Впоследствии выяснилось, что решающее значение имеет не длина дня, а продолжительность темного периода. Биологические ритмы. Многие формы поведения животных повторяются с регулярными интервалами и служат одним из проявлений биологических ритмов, или биоритмов. Хорошо известны такие примеры, как периоды ухаживания и гнездования у птиц весной и перелеты определенных видов осенью. Интервалы между периодами активности могут варьировать в пределах от нескольких минут до нескольких лет, в зависимости от характера активности и вида животного. Например, многощетинковый червь пескожил, живущий в норе в илистом или песчаном дне, каждые 6-7 минут совершает движения, связанные с питанием. Этот цикл питания не имеет никаких внешних или внутренних физиологических мотивационных стимулов. По-видимому, он регулируется «биологическими часами» – механизмом, который в данном случае зависит от водителя ритма (пейсмекера), находящегося в глотке, откуда стимулы распространяются вдоль тела червя по брюшной нервной цепочке. Ритмы, задаваемые внутренними «часами» или водителями ритма, называются эндогенными, в отличие от экзогенных, которые регулируются внешними факторами. Во многих случаях главным внешним фактором, регулирующим ритмическую активность, служит фотопериод. Это единственный фактор, который может быть надежным показателем времени года, и он используется для установки «часов». Фотопериод это не единственный внешний фактор, регулирующий биологические ритмы. У некоторых животных существуют лунные ритмы, как, например, у многощетинкового червя палоло или у комара Clunio maritimus. Поведение многих насекомых, ведущих полностью наземный образ жизни, контролируется, по-видимому, эндогенными ритмами, связанными с чередованием света и темноты. Например, плодовая мушка дрозофила выводится из куколки на рассвете, а тараканы становятся наиболее активными после наступления темноты и перед рассветом. Эти регулярные биологические ритмы с периодом около 24 часов называются циркадианными или околосуточными ритмами. Предполагают, что циркадианные ритмы имеют многообразное адаптивное значение, специфичное для каждого вида и, в частности, связанное с ориентацией. Такие животные, как рыбы, черепахи, птицы и некоторые насекомые, мигрирующие на большие расстояния, используют в качестве компаса Солнце и звезды. Другие животные (пчелы, муравьи и рачки-бокоплавы) ориентируются по Солнцу при поисках пищи и при возвращении домой. Ко второй группе можно отнести ритмы, действующие в геологической шкале времени, т. е., на протяжении очень длительных периодов, несоизмеримых с жизнью человека. Долгопериодические изменения влияют на погоду и климат на Земле, на геологические процессы, а через это и на всю среду обитания. Если рассматривать историю Земли в геологической шкале времени, то можно убедиться, что в далеком прошлом глобальный климат был в среднем на 8-15°С теплее, чем сейчас. Большую часть времени полярные районы были свободны ото льда. Эти сравнительно теплые условия время от времени сменялись суровыми эпохами оледенений. Последнее подобное оледенение началось в плейстоцене – около 2 млн. лет назад – и продолжается до сих пор. С тех пор длительные холодные периоды сменялись кратковременными периодами потепления. Изучение ледников и остающихся после них отложений позволило обнаружить несколько десятков ледниковых периодов. Они повторяются нерегулярно, промежутки между ними колеблются от 40 тыс. до нескольких сотен тысяч лет. Последний ледниковый период был 20 тыс. лет назад. Причины колебаний средней температуры на Земле на такой временной шкале – в изменениях характеристик вращения Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца. Следующий цикл в геологической истории Земли – инверсии магнитного поля. Период – 0,1-1 млн. лет. Связаны они с асинхронностью вращения внутреннего ядра. Эти смены полярности характеризуются временным исчезновением магнитного поля на период порядка 10 тыс. лет. В эти периоды у Земли исчезает защитная оболочка – магнитосфера. Частицы солнечного ветра и космические лучи могут беспрепятственно бомбардировать верхние слои атмосферы. Из-за этих столкновений образуются «ливни» вторичных частиц. Это приводит к повышению уровня радиации на поверхности Земли (правда, незначительному). Важнее то, что облучение верхней атмосферы космическими частицами уничтожает слой озона, защищающего все на Земле от губительных ультрафиолетовых лучей. Исследовались ископаемые отложения, в частности ископаемый планктон, найденный в кернах на дне океанов. Было установлено, что вымирание нескольких видов радиолярий происходило именно в периоды смены полярности. Известно также, что около трети всех видов живых организмов вымерли в период, близкий к меловому, когда после очень длительного периода стабильной полярности снова возобновились частые смены полярности геомагнитного поля. 11-летний ритм солнечной активности. Огромную работу по исследованию связей земных процессов с солнечной активностью провел российский ученый А. Л. Чижевский. Ему удалось установить, что от активности Солнца зависит частота несчастных случаев, преступлений, внезапных смертей и целый ряд других явлений: уровень озер, грунтовых вод, сток рек, толщина донных отложений ила, количество льда в полярных морях, повторяемость засух, ураганов, ливней, среднегодовая температура. Он сделал впечатляющий анализ статистики эпидемий и пандемий холеры, тифа, дифтерии и гриппа в прошлом (до появления прививок и эффективных методов лечения) и установил их отчетливую связь с активностью Солнца. |