Лекции по экологии. Лекция тема наукаэкологи я. План лекции Предмет. Цели и задачи. Методология. Структура и отрасли

• Название: Лекция тема наукаэкологи я. План лекции Предмет. Цели и задачи. Методология. Структура и отрасли
• Анкор: Лекции по экологии.doc
• Дата: 03.02.2018
• Размер: 0.87 Mb.
• Имя файла: Лекции по экологии.doc
• Тип: Лекция; #15153
• Категория: Экология
• страница: 5 из 12

Область

положительной

обратной

связи

Область

отрицательной

обратной

связи

Область

положительной

обратной

связи

гибель

экосистемы

гомеостатическое

плато

гибель

экосистемы

Фактор

внешней

среды



Рис. 3-2.

Действие гомеостатических механизмов имеет предел, по достижении которого усиливающиеся положительные обратные связи приводят к гибели экосистемы. “Гомеостатическое плато” имеет ряд уровней. По мере увеличения внешнего фактора в пределах “гомеостатического плато”, система хотя и продолжает осуществлять управление, но при этом устанавливаются новые равновесия на другом уровне и система может оказаться неспособной к возвращению на тот же уровень, что и раньше.

Устойчивость экосистем в экологии означает свойство системы возвращаться в исходное состояние после того, как она была выведена из состояния равновесия. Различают два типа устойчивости:

резистентную и упругую.

Резистентная устойчивость (лат. resistentia – сопротивляемость) – способность экосистемы сопротивляться нарушениям, поддерживая неизменными свою структуру и функции.

Упругая устойчивость – способность системы быстро восстанавли-ваться после нарушения структуры и (или) функции.

Экосистема обычно имеет преобладающим либо один, либо другой тип устойчивости, а иногда они исключают друг друга.

Новые, молодые экосистемы, особенно искусственные (например, создаваемые современным сельским хозяйством), обычно подвержены более резким колебаниям и менее способны противостоять внешним возмущениям по сравнению со зрелыми естественными экосистемами, компоненты биоценоза которых имели возможность приспособиться друг к другу. Подлинно надежный гомеостатический контроль устанавливается только после периода эволюционного приспособления, что имеет место в климаксных экосистемах.

Человек – самое могущественное существо, способное изменять функционирование экосистем. Человеческий мозг до сих пор опирался в основном на положительную обратную связь, управляя природой и властвуя над ней. Это привело к развитию техники и росту эксплуатации ресурсов. Но этот процесс в конце концов приведет к снижению качества человеческой жизни и разрушению окружающей среды, если не будут найдены пути адекватного управления с помощью отрицательной обратной связи.

Человек относится к гетеротрофам. Несмотря на могущество современной техники, он нуждается в ресурсах жизнеобеспечения, т.е. чистом воздухе, воде, пище, различных видах энергии. Существование человека возможно только при сохранении регулирующих механизмов, которые позволяют биосфере приспособиться к некоторым антропогенным воздействиям. Стремясь снизить уровень загрязнения окружающей его среды, человек должен в равной степени стремиться к сохранению механизмов саморегуляции, поддерживающих естественные системы жизнеобеспечения планеты, т.е. к сохранению установившегося в природе экологического равновесия. Последнее не всегда достигается только снижением уровня загрязнения и экономным использованием природных ресурсов.

5. ЗАКОН КВАНТИТАТИВНОЙ КОМПЕНСАЦИИ.
Этот закон был сформулирован российским ученым, учеником К.Э. Циолковского, А.Л. Чижевским, исследовавшим влияние солнечной активности на различные процессы в биосфере и, в частности, на жизнедеятельность различных организмов. Сам А.Л. Чижевский назвал его законом квантитативной компенсации в функциях биосферы в связи с энергетическими колебаниями в деятельности Солнца.

Солнечная активность в биосфере имеет очевидную периодичность (смена времени суток и времен года) и периодичность неочевидную (с периодом 27 дней – период обращения Солнца вокруг своей оси, 3-х летний, 11– летний, 33– летний и 100– летний периоды). Кроме того солнечная активность подвержена непериодическим случайным изменениям ( появление солнечных пятен, взрывы на Солнце, протуберанцы и т.д.). Эти периодические и непериодические процессы, накладываясь друг на друга, дают в результате сложную картину изменения солнечной активности.

Подавляющее большинство процессов, происходящих в биосфере, так или иначе зависят от солнечной активности: это процессы и в атмосфере, и в гидросфере, и в литосфере, и в магнитосфере. На живые организмы изменение солнечной активности имеет и прямое влияние через изменение солнечной радиации, и косвенное влияние, опосредованное через количественные изменения значений абиотических факторов сред.

Суть закона квантитативной компенсации лучше изложить словами автора.

“ ... колебания в энергетической продукции Солнца имеют определен-ную периодичность и никогда не выходят из пределов некоторой средней величины амплитуды, а потому и колебания в жизнедеятельности атомо-, гидро-, лито- и биосферы должны происходить в пределах некоторой величины ...”.

“ ... количественные соотношения в ходе того или иного явления на очень больших территориях стремятся сохраниться путем периодических компенсаций, давая в среднем арифметическом одну и ту же постоянную величину или очень к ней близкую...”.

“ ... в пределах биосферы постоянно совершается процесс суммирова-ния положительных и отрицательных отклонений от среднего уровня, того или иного явления, слаживающий в идеальном случае данные отклонения от нуля...”.


Этот закон А. Чижевский сформулировал в виде следующей формулы:
Р – численные отклонения от среднего уровня того или иного явления в

биосфере в положительную сторону;

Q – отклонения от среднего уровня в отрицательную сторону;

t – промежуток времени;

s – область пространства;

К – квазипостоянная величина, тем более постоянная, чем больше t и s.
Если: n = n, m = m и P = Q, то K0.

Этот закон справедлив как для параметров биотопа, т.е. абиотических факторов, зависящих от солнечной активности, так и для характеристик биоты. Чижевский исследовал очень много явлений в жизнедеятельности биосферы, зависящих от солнечной активности, среди которых могут быть названы такие разные явления, как:

1) урожайность зерновых;

2) рост древесины (толщина годовых колец);

3) размножаемость и миграции животных, птиц, рыб, насекомых, вирусов

и бактерий;

4) колебание веса младенцев;

5) частота несчастных случаев;

6) частота преступлений;

7) рождаемость;

8) смертность;

9) брачность;

10) эпидемии, в частности, психические заболевания.

Чижевский установил даже зависимость от солнечной активности таких сложных социальных явлений, как войны и революции, за что и был подвергнут репрессиям.

6. ЗАКОНЫ Б.КОММОНЕРА.
Законы Б. Коммонера в большей степени могут быть названы аксиомами – поговорками, чем законами, но сам ученый назвал их законами экологии. Они носят системный характер и звучат так:

1) все связано со всем,

2) все должно куда-то деваться,

3) ничто не дается даром,

4) природа знает лучше (иногда последний закон излагают в такой редакции: “Природа знает лучше человека, что лучше человеку.”).

7. 
   ПРАВИЛО ЛЕ ШАТЕЛЬЕ – БРАУН.
   

Это правило было сформулировано применительно к неравновесным химическим реакциям, но оказалось справедливым и для экосистем, которые также являются неравновесными. Оно звучит так:

“ При внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется”.

ЛЕКЦИЯ 4

УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ

Для того чтобы иметь возможность прогнозировать последствия воздействия хозяйственной деятельности человечества на природную среду, следует знать характер взаимодействия животного и растительного мира с неживой природой и изучить “опыт” природных сообществ, которые в течение миллиардов лет своего существования умели избавляться от отходов жизнедеятельности, не загрязняя среду обитания благодаря замкнутому кругообороту вещества.
1. Характеристика и состав биосферы

Экология является наукой, изучающей организацию и функционирование надорганизменных систем различных уровней: популяций, видов, биоценозов (сообществ), экосистем, биогеоценозов и биосферы. Часто экологию определяют и как науку, которая рассматривает проблемы взаимоотношения человека и биосферы. Иными словами все, что нас окружает и подвергается нашему воздействию, имеет отношение к экологической науке.

При всех огромных размерах земного шара реальная жизнь существует только на его поверхности, в той части Земли, которую называют биосферой. В этом тонком слое земной поверхности взаимодействуют воздух, вода, земля, животный и растительный мир. Все живое на Земле зависит от сохранения целостности биосферы. Что же угрожает биосфере, можно ли защитить ее от разрушений? Чтобы понять это, необходимо, прежде всего, рассмотреть составляющие биосферы, ее живые и неживые компоненты, их сложнейшие взаимодействия, которые поддерживают и уравновешивают биосферу как единое целое.

Характер взаимодействия живой и неживой природы начал всерьез изучаться в конце ХIХ века, когда австрийский геолог Э.Зюсс впервые ввел термин “биосфера”, а русский естествоиспытатель В.И. Вернадский в начале нашего века создал биогеохимию - науку, изучающую роль живого вещества (биоты) в геологических процессах планеты. Современная наука рассматривает биосферу как сложную общепланетарную саморегулирующуюся систему живого вещества (биоты) и неживой материи (экотопа), термодинамически открытую, аккумулирующую и перераспределяющую огромные ресурсы энергии. Под биосферой подразумевают литосферу (слой земной коры глубиной до 3 километров), гидросферу (водную среду, представленную, в основном, мировым океаном), атмосферу (ее нижний слой - тропосферу) и совокупность всех живых организмов (биоту). Все составляющие биосферы играют важную роль в жизненных процессах на Земле, но главным компонентом биосферы все же является живое вещество.

Составляющие биосферы находятся в постоянном взаимодействии и взаимопроникновении. Сущность взаимодействия живых сообществ - обмен веществом, при котором отходы одних популяций используются в пищу другими популяциями. Кроме того, живые организмы являются открытыми системами, постоянно обменивающимися веществом и энергией с окружающей неживой средой. Совокупность взаимодействующих популяций, существующих на ограниченной территории, вместе с используемым неживым веществом образует биогеоценоз (рис.1). В основе биоценоза лежит обмен веществом и энергией между популяциями (на рис.1 обозначен стрелками). Биосфера очень экономно расходует вещество и энергию. Из образующегося в биогеоценозах вещества лишь небольшая часть (доли процента) ежегодно выходят из круговорота в илы и осадки, попадая в медленные геологические циклы.


Атмосфера




Гидросфера Почва,

грунт

ЭКОТОП




БИОГЕОЦЕНОЗ




БИОЦЕНОЗ

Раститель- Животные

ность (фито- (зооценоз)

ценоз)




Микроор-

ганизмы (мик-

робоценоз)
Рис.1. Основные составляющие биосферы

Земная кора – это преобразованные в ходе геологического времени прежние биосферы. Целый ряд минералов земной коры (известняки, мел, фосфориты, нефть, уголь и др.) возникли из тканей погибших организмов. Парадоксальный факт, что сравнительно небольшие живые организмы смогли вызвать явления геологического масштаба, объясняется их высочайший способностью к размножению. Напр., холерный вибрион при благоприятных условиях может создать массу вещества, равную массе земной коры всего за 1,75 суток! Можно предположить, что в биосферах прежних эпох колоссальные массы живого вещества перемещались по планете, образуя в результате гибели запасы нефти, угля и т.п.

Биосфера существует, используя многократно одни и те же атомы. При этом на долю 10 элементов, расположенных в первой половине периодической системы (кислород-29,5%, натрий, магний-12,7%, алюминий, кремний-15,2%, сера, калий, кальций, железо-34,6%) приходится 99% всей массы нашей планеты (масса Земли – 5976*10²¹кг), а 1% на долю остальных элементов. Однако значение этих элементов очень велико - они играют существенную роль в живом веществе.

В.И. Вернадский разделил все элементы биосферы на 6 групп, каждая из которых выполняет определенные функции в жизни биосферы. Первая группа – инертные газы (гелий, криптон, неон, аргон, ксенон). Вторая группа – благородные металлы (рутений, палладий, платина, осмий, иридий, золото). В земной коре элементы этих групп химически малоактивны, их масса незначительна (4,4*10^-4% от массы земной коры), а участие в образовании живого вещества слабо изучено. Третья группа – лантаноиды (14 химических элементов – металлов) составляют 0,02% от массы земной коры и их роль в биосфере не изучена. Четвертая группа – радиоактивные элементы являются основным источником образования внутреннего тепла Земли и оказывают влияние на рост живых организмов (0,0015% массы земной коры). Некоторые элементы пятой группы – рассеянные элементы (0,027% земной коры) – играют существенную роль в жизни организмов (например, йод и бром). Самую большую шестую группу составляют циклические элементы, которые, пройдя ряд превращений в геохимических процессах, возвращаются к исходным химическим состояниям. К этой группе относятся 13 легких элементов (водород, углерод, азот, кислород, натрий, магний, алюминий, кремний, фосфор, сера, хлор, калий, кальций) и один тяжелый элемент (железо).

Биота в основном состоит из циклических элементов. Особенно велика роль таких элементов, как углерод, азот и водород, процентное содержание которых в биоте выше, чем в земной коре (углерода в 60 раз, азота и водорода в 10 раз). На рисунке приведена схема замкнутого углеродного цикла. Только благодаря круговороту основных элементов в таких циклах (прежде всего углерода) возможно существование жизни на Земле.