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: 8 из 12

Таблица 1

Коэффициент радиационного риска

Орган или ткань организма	Красный костный мозг	Костная ткань	Щитовид- ная железа	Молочная железа	Легкие	Яичники или семен- ники	Другие ткани
Кр	0,12	0,03	0,03	0,15	0,12	0,25	0,30

С помощью этих коэффициентов подсчитывается эффективная эквивалентная доза (Д_эфф), которая определяет суммарный эффект облучения для органов человека:

j = k

Д_эфф=  Д_эj К_рj (Зв),

j = 1

где Д_Эj - эквивалентная доза, полученная к-ым органом или тканью, Зв;

К_рj - коэффициент радиационного риска для соответствующего органа или ткани.

Для характеристики радиационного эффекта для группы людей (возрастной, профессиональной) используется понятие коллективной эффективной дозы (Д_{кол.эфф}):

k=m

Д_{кол.эфф} =  Д_эфф,к П_к (чел:Зв),

k=1

где Д_эфф.к – эффективная эквивалентная доза, полученная каждым из к- ой группы облученных лиц, Зв;

П_к – число лиц, получивших соответствующую к-ую дозу, чел.

В России широкое применение получили внесистемные единицы радиационной безопасности:

единица активности изотопа Кюри – 1 Ku = 3,7 ·10¹⁰ Бк;

единица поглощенной дозы – рад – 1рад = 0,01 Гр;

единица эквивалентной дозы бэр (биологический эквивалент рада) – 1 бэр = 0,01 Зв.

На протяжении всего эволюционного периода в биосфере присутствовали ионизирующие излучения. Все существующие формы биоты формировались в условиях ионизирующих естественных излучений. Это обстоятельство дает основание считать естественный радиационный фон безопасным. Однако для оценки радиационной безопасности необходимо учитывать эффекты накопления и концентрации излучений, поэтому очень важно оценить вклад в суммарную дозу отдельных источников естественного и искусственного происхождения.

Естественные источники радиации

Естественные источники радиации приблизительно на 5/6 носят земное происхождение и на 1/6 космическое. Естественная радиация обуславливает (почти на 85%) внутреннее облучение населения Земли (см.табл.2).

Таблица 2
Средние годовые эффективные эквивалентные дозы от естественных источников радиации, Зв/год

Земное происхождение		Космическое происхождение
Внешнее облучение	Внутреннее облучение	Внешнее облучение	Внутреннее облучение
0,35	1,325	0,3	0,015

До сих пор основную часть радиационного облучения население Земли получает от естественных источников излучения (порядка 2,0 Зв/год), что иллюстрируется следующими данными в табл.3.

Таблица 3

Средние годовые эквивалентные дозы облучения населения от искусственных и естественных источников, Зв/год

Естественные источники	Источники,используемые в медицине	Радиоактивные источники	Атомная энергетика
2,0	0,4	0,02	0,001

Внешнее облучение космического происхождения возрастает с увеличением высоты (в 25 раз на высоте 12000м по сравнению с уровнем моря).

Уровни естественной внешней земной радиации зависят от радиоактивности горных пород, из которых образовалась почва, сорбции радионуклидов почвами. Средний уровень составляет 0,3-:-0,6 Зв/год, однако на Земле есть ряд мест со значительным превышением этого уровня: штат Кэрая (Индия – Д_эфф=3,8 Зв/год), город Гуарапара (Бразилия – Д_эфф=250 Зв/год), отдельные районы Франции (Д_эфф= 17,5 Зв/год).У населения, проживающего в этих районах, не выявлено явно отрицательных последствий избыточного облучения. Большинство же населения планеты ( 95%) проживает в районах, где уровень внешнего облучения земного происхождения приблизительно равен 350 мкЗв/год.

Внутреннее облучение создается радиоактивными изотопами, поступающими в организм человека с воздухом, водой и пищей, основная часть их – земного происхождения и только незначительная часть – радионуклиды космического происхождения – углерод С-14 и тритий Н-3.

Радионуклиды земного происхождения попадают в организм через желудочно-кишечный тракт и органы дыхания:

а) радионуклид калия К-40 попадает с пищей, усваивается наряду с нерадиоактивными изотопами этого элемента, концентрируется в красном костном мозге и в легких, создавая в них дозы, в 1,5-:-1,7 превышающие указанную дозу для всего тела (Д_эфф=180 мкЗв/год;

б) основную дозу внутреннего облучения человек получает от нуклидов двух радиоактивных семейств – урана 238 и тория 232 (эффективные дозы у них приблизительно равны и составляют по Д_эфф=3 мкЗв/год) – они поступают в организм с пищей (полоний Po-218, свинец Pb-210, радий Ra-226). Эти нуклиды, проходя через трофические цепи, накапливается в некоторых продуктах питания: они концентрируются в рыбе, моллюсках, лишайниках и, как следствие, - в мясе северного оленя. Люди (в основном, народы Крайнего Севера), употребляющие значительное количество этих продуктов, могут получать дозы внутреннего облучения. в 35 раз превышающие средний уровень. Анализ последствий Чернобыльской аварии позволил выявить целый ряд накопителей радионуклеидов.

Основные «поставщики» радионуклеидов в организм человека – мясо-молочные продукты, причем в говядине их накапливается больше, чем в свинине (наиболее радиоактивны печень, почки, кости). Количество радионуклидов, переходящих в процессе переработки сырья в последующие продукты, зависит от вида переработки (при переработке молока в сметану переходит 5% стронция-90 и 21% цезия-137, а в сыры соответственно 45% и 10%. Очень активно усваивают радионуклиды бобовые и столовая зелень (укроп, петрушка, сельдерей, салат, шпинат), лекарственные растения, чай, косточки и семена плодов. Картошка не является концентратором радионуклидов – ее загрязнение пропор-ционально загрязнению почв.

Наиболее опасными источниками естественного облучения являются инертные газы радон 222 (из семейства урана 238) и радон 220 – торон (образуемый продуктами распада тория –232). По оценке ООН, радон и продукты его распада (в большей степени) создают ¾ годовой индивидуальной дозы, получаемой населением от земных продуктов радиации.

Радон поступает из земной коры повсеместно, однако его концентрация в наружном воздухе изменяется в широких пределах (см. табл.4)
Таблица 4

Концентрация радона (Бк/м³) в воздухе

в различных точках земного шара

Города и регионы	Цинциннати (США)	Франция	Нью-Йорк	Впашингтон	Япония	Маршалло-вы о-ва
концентра-ция радона	9,6	9,3	4,8	2,9	2,1	0,02

Опасность радона резко возрастает в помещениях, где его концентрация может в 5000 раз превышать наружную (выявлено в Швеции, Великобритании, в США). Источником поступления тут являются, в основном почва под зданиями и строительные материалы (см.табл.5).

Таблица 5

Средняя удельная радиоактивность строительных материалов (Бк/кг)

Кирпич	Дерево	Гипс	Песок и гравий	Цемент	Гранит	Глино-зем	Фосфо гипс	Силикат-ный шлак
126	1,1	29	<34	<45	170	496	1367	2140

Некоторые из этих материалов являются отходами других производств и их применение в индустрии строительных материалов ранее приветствовалось защитниками окружающей среды. Так, кальций-силикатный шлак и фосфогипс являются отходами переработки фосфорных руд. Только в Японии в 1974 г. израсходовано в строительстве 3 млн.тонн этих материалов, а выделяемая коллективная эффективная доза только с применением фосфогипса составит 300000 чел.·Зв.

Другими источниками радона является вода и природный газ, но их вклад в поступлении радона в помещения незначителен (менее 10%).

Радон в воде малоопасен (люди, в основном, потребляют кипяченую воду). Опасность резко возрастает при попадании паров воды с высоким содержанием радона в легкие. В Финляндии выявлено, что содержание радона в ванных в 40 раз выше, чем в жилых комнатах. Подсчитано, что средняя годовая эффективная эквивалентная доза, обусловленная радоном, равна 1,02Зв, в то же время доза на легкие составляет 7Зв. Считается, что радон является основной причиной столь частых онкологических заболеваний легких. При уменьшении скорости вентиляции в помещении в 2 раза, концентрация радона там возрастет в 3 раза. В Швеции проводились работы по экономии энергии за счет герметизации помещений – на каждый сэкономленный гигаватт энергии было получено дополнительная коллективная эффективная эквивалентная доза в 5600 чел.·Зв (Д_{кол.эфф.} от всех работающих на угле электростанций мира в 1979 году составила 2000 чел.·Зв.

Таким образом, появились концентраторы радионуклидов (строительные материалы, природный газ, душевые, электростанции на угле, фосфатные удобрения, кормовые добавки), что привело к существенному возрастанию Д_{кол.эфф.}, создаваемой естественными радионуклидами, среди которых ведущее место принадлежит рабону, распад которого сопровождается излучением с К_к= 20. Д _{кол.эфф.} под воздействием радона составляет половину естественного радиоактивного облучения. Основным средством борьбы с радоном: вентиляция помещений, отказ от использования в строительстве фосфогипса, калий-силикатного шлака, красной глины. Немаловажное значение приобретает правильное питание населения.

Антропогенные источники радиации

Использование энергии атома в медицине, науке, военной технике и бытовых приборах увеличивает дозы радиационного облучения как для отдельных людей, так и для населения Земли в целом, но пока (см.табл.3) эти увеличения невелики и не превышают 20% от значений облучения естественными источниками. Однако, отдельные группы населения и регионы получают иногда дозы облучения, в десятки и тысячи раз превышающие дозы от естественных источников.

Основной вклад в антропогенное радиационное облучение населения вносят медицинские источники. Можно сказать, что человек, регулярно обследующийся в рентгеновских кабинетах, получает дозу в 200 раз превышающую облучение от атомных электростанций.

Облучение в медицинских целях (в основном – внешнее) складывается из диагностических рентгеновских обследований грудной клетки, зубов и молочной железы. Д_{кол.эфф.}, получаемая населением экономически развитых стран, значительно выше, чем Д_{кол.эфф} в развивающихся странах и составляет 1000 чел.·Зв на 1 млн.населения (оценка ООН). Наиболее большие дозы наблюдаются при рентгенографии желудочно-кишечного тракта и поясничного отдела позвоночника.

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.

Атмосфера

СО₂ СО₂

Гидросфера



Атмосфера













Живые

организмы

Литосфера

Органический

углерод

Известняки и

доломиты

Органический

углерод

Известняки и

доломиты



Рис.2 Замкнутый углеродный цикл в биосфере
ГИДРОСФЕРА.
Составляет около 4% массы земной коры и ее средняя мощность равна 3,8 км. На массу океанической воды приходится 97% массы всей гидросферы (2*10²¹кг). Роль океана в жизни биосферы огромна: в нем протекают основные химические реакции, обуславливающие производство биомассы и химическую очистку биосферы. Так, за 40 дней поверхностный пятисотметровый слой воды в океане проходит через фильтрационный аппарат планктона, следовательно (с учетом перемешивания) в течение года вся океаническая вода океана подвергается очистке. Все составляющие гидросферы (водяные пары атмосферы, воды морей, рек, озер, ледников, болот, подземные воды) находятся в непрерывном движении и обновлении.

Вода - основа биоты (живое вещество на 70% состоит из воды) и ее значение в жизни биосферы является определяющим. Можно назвать такие важнейшие функции воды, как:

1. производство биомассы;

2. химическая очистка биосферы;

3. обеспечение углеродного баланса;

4. стабилизация климата (вода выполняет роль буфера в тепловых процессах на планете).

Огромное значение мирового океана состоит в том, что он продуцирует своим фитопланктоном почти половину всего кислорода атмосферы, т.е. является своего рода “легкими” планеты. При этом растения и микроорганизмы океана в процессе фотосинтеза усваивают ежегодно значительно большую часть углекислого газа, чем поглощают растения на суше.

Живые организмы океана – гидробионаты – подразделяются на три основные экологические группы: планктон, нектон и бентос. Планктон – совокупность пассивно плавающих и переносимых морскими течениями растений (фитопланктон), живых организмов (зоопланктон) и бактерий (бактериопланктон). Нектон – это группа активно плавающих живых организмов, перемещающихся на значительные расстояния (рыбы, китообразные, тюлени, морские змеи и черепахи, кальмары осьминоги и др.). Бентос – это организмы, обитающие на морском дне: сидячие (кораллы, водоросли, губки); роющие (черви, моллюски); ползающие (ракообразные, иглокожие); свободно плавающие у самого дна. Наиболее богаты бентосом прибрежные районы океанов и морей.

Мировой океан – источник огромных минеральных ресурсов. Уже сейчас из него добывается нефть, газ, 90% брома, 60% магния, 30% поваренной соли и т.д. В океане имеются огромные запасы золота, платины, фосфоритов, окислов железа и марганца, других минералов. Уровень добычи полезных ископаемых в океане постоянно растет.

АТМОСФЕРА – воздушная среда вокруг Земли, ее масса около 5,15*10¹⁸ кг. Газовый состав атмосферы следующий: азот (79,09%), кислород (20,95%), аргон (0,93%), углекислый газ (0,03%) и незначительное количество инертных газов (гелий, неон, криптон, ксенон), аммиака, метана, водорода и др. В нижних слоях атмосферы (20 км) содержится водяной пар, количество которого с высотой быстро убывает. Слой озона, предохраняющий живые организмы от вредного коротковолнового излучения, расположен на высоте 20-25 км. Выше 100 км растет доля легких газов, и на очень больших высотах преобладают гелий и водород; часть молекул газов распадаются на атомы и ионы, образуя ионосферу. Давление и плотность воздуха с высотой убывают. В зависимости от распределения температуры атмосферу подразделяют на тропосферу (от +40 до –50^оС на высотах 10-15 км), стратосферу (от –50 до 0^оС на высотах около 50 км), мезосферу (от 0 до –90^оС на высотах 50-55 км), термосферу (от –90 до +1500^оС на высотах 200-300 км) и экзосферу (от нескольких сотен км). Неравномерность нагревания способствует общей циркуляции атмосферы, которая влияет на погоду и климат Земли.

Атмосфера оказывает огромное влияние на биологические процессы на суше и в водоемах. Содержащийся в ней кислород используется в процессе дыхания организмов и при минерализации органического вещества, углекислый газ расходуется в ходе фотосинтеза автотрофными растениями, озон снижает вредное для организмов ультрафиолетовое излучение Солнца. Кроме того, атмосфера способствует сохранению тепла Земли, регулирует климат, воспринимает газообразные продукты обмена веществ, переносит водяные пары по планете и т.д. Без атмосферы невозможно существование сколько-нибудь сложных организмов.

БИОТА- это совокупность всех видов растений, животных и микроорганизмов. Биота является активной частью биосферы, определяющей все важнейшие химические реакции, в результате которых создаются основные газы биосферы (кислород, азот, окись углерода, метан) и устанавливаются между ними количественные соотношения. Биота непрерывно образует биогенные минералы и поддерживает постоянный химический состав океанических вод. Ее масса составляет не более 0,01% от массы всей биосферы и ограничивается количеством углерода в биосфере. Основную биомассу составляют зеленые растения суши – около 97%, а биомасса животных и микроорганизмов – 3%.

Объектом изучения экологии является взаимодействие пяти уровней биоты: живых организмов, популяций, сообществ, экосистем и экосферы.

Живой организм - это любая форма жизнедеятельности. Принято подразделять все организмы на три категории: растения, животные и микроорганизмы.

Популяция - это группа организмов одного вида, проживающих в определенном районе. Примеры популяций: окуни в пруду, грибы белые в лесах, население в отдельной стране или население Земли в целом.

Сообщество (биологическое сообщество) - это несколько популяций, проживающих в одном месте и взаимодействующих друг с другом. Примерами являются все животные, растения и микроорганизмы, проживающие и произрастающие в лесу, пруду, пустыне или аквариуме.

Экосистема - это совокупность различных видов растений, животных и микробов, взаимодействующих друг с другом и с окружающей средой таким образом, что вся эта совокупность может сохраняться неопределенно долгое время. Т.е. экосистема представляет собой функциональное единство организмов и окружающей среды. Понятие экосистемы весьма широко. Выделяют микроэкосистемы (напр., ствол гниющего дерева), мезоэкосистемы (лес, река, пруд), макроэкосистемы (море, тундра, пустыня). Границы и объем экосистем - определенная условность, т.к. между ними существует обмен веществом и энергией.

Экосфера - это совокупность всех экосистем Земли.

2. 
   Структура экосистем
   

Несмотря на огромное многообразие экосистем, с точки зрения экологии всем им свойственна примерно одинаковая биотическая структура. Все экосистемы включают одни и те же основные категории организмов, взаимодействующих друг с другом стереотипным образом: продуценты и консументы.

Продуценты, или автотрофы (самопитающиеся), - это организмы, производящие органические соединения, используемые ими как источник энергии и питательных веществ. Большинство продуцентов - зеленые растения, создающие органические вещества в процессе фотосинтеза. Растения используют солнечную энергию для получения углеводов (глюкозы, крахмала, целлюлозы) из углекислого газа. Т.е. превращают солнечную энергию в энергию химических связей органических веществ. При этом выделяется кислород - побочный продукт фотосинтеза.

6СО₂ + 6Н₂О hv  C₆H₁₂O₆ + 6O₂

хлорофилл

где h6,626*10^-34 дж*с - постоянная Планка,

v - частота колебаний, 1/с.

Все углеводы делятся на две группы: простые углеводы (моносахариды, или монозы) и сложные углеводы (полисахариды, или полиозы).

Общая формула моносахаридов C_nH_2nO_n. В природе чаще встречаются пентозы C₅H₁₀O₅ и гексозы C₆H₁₂O₆. Гексозы: глюкоза, фруктоза, галактоза.

Общая формула полисахаридов (C₅H₁₀O₅)_n. Полисахариды: крахмал и целлюлоза (клетчатка).

Общая формула дисахаридов (биозов) C₁₂H₂₂O₁₁. К ним относятся: сахароза (свекловичный или тростниковый сахар), лактоза (молочный сахар), мальтоза (солодовый сахар), целлобиоза и др.

Накопленная химическая энергия, созданная в результате фотосинтеза, является прямым или косвенным источником питания для большинства организмов.

Некоторые продуценты, в основном бактерии, способны поглощать из окружающей среды неорганические соединения и преобразовывать их в органические питательные вещества без солнечного света. Этот процесс называется хемосинтезом.

Консументы, или гетеротрофы (питающиеся другими) - организмы, получающие питательные вещества и необходимую энергию, питаясь напрямую или косвенно продуцентами.

В зависимости от источников питания консументы, питающиеся живыми организмами, подразделяются на три класса:

- фитофаги (растительноядные) - это консументы 1-го порядка, питающиеся исключительно живыми растениями. Напр., птицы, олени, зайцы, насекомые.

- хищники (плотоядные) - это консументы 2-го порядка, которые питаются исключительно растительноядными животными (фитофагами), а также консументы 3-го порядка, питаются только плотоядными животными.

- эврифаги (всеядные) - могут питаться как растительной, так и животной пищей. Напр., свиньи, крысы, таракана, а также человек.

Консументы, питающиеся остатками мертвых растений или животных, называются редуцентами. Существуют два основных класса редуцентов: детритофаги и деструкторы.

Детритофаги питаются мертвыми растительными и животными остатками, т.е. детритом, напр., грибы, раки, грифы, муравьи, шакалы, черви.

Большая часть мертвой материи в экосистеме, особенно деревья и листья, проходят стадии разложения и гниения, в результате сложные органические соединения делятся на простые неорганические. Это осуществляется деструкторами (грибы и микроскопические одноклеточные бактерии).

Свет Солнца

СО₂ О₂




Неорганическое

вещество Продуценты










Минерализаторы- Живое

деструкторы органическое

вещество

Мертвое
органическое

вещество




Захороненное Консументы

органическое растительноядные

вещество и плотоядные
Рис.3 Функциональная структура экосистемы и

потоки вещества в ней

3. 
   Пищевые цепи
   

В биологической структуре экосистем к числу важнейших взаимоотношений между организмами относятся пищевые. Можно проследить бесчисленные пути вещества в экосистеме, при которых один организм поедается другим, тот - третьим и т.д. Ряд таких звеньев называется пищевой цепью. Но в экологической системе практически все пищевые цепи соединены между собой и образуют сложную цепь пищевых взаимоотношений. Продуценты, консументы и редуценты - разные уровни этой общей цепи. Эти уровни называются трофическими, что означает пищевые.

Пищевые цепи - это путь однонаправленного потока высокоэффективной солнечной энергии, поглощенной в процессе фотосинтеза, через живые организмы экосистемы в окружающую среду в виде низкоэффективной тепловой энергии. Пищевые цепи - это также движение питательных веществ от продуцентов к консументам и, далее, к редуцентам и обратно к продуцентам.

Движение энергии в экосистемах осуществляется двумя типами пищевых сетей – пастбищной и детритной. В первой участвуют продуценты и консументы, во второй – редуценты.

Все организмы, пользующиеся одним видом пищи, принадлежат к одному трофическому уровню. Продуценты – к первому уровню, первичные консументы, питающиеся продуцентами, - ко второму трофическому уровню, хищники – к третьему и т.д.

Солнечная энергия по мере прохождения по цепям питания в соответствии со вторым законом термодинамики теряет свое качество, постепенно превращаясь в низкоэффективную тепловую энергию. Энергия, полученная живыми организмами, используется на каждом трофическом уровне для строительства собственной биомассы и на клеточное дыхание, в результате которого органические соединения разлагаются на углекислый газ и воду:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ = 6СО₂ + 6Н₂О + Q
Этим уравнением и уравнением фотосинтеза характеризуется “малый круг” углеродного цикла, являющийся составной частью круговорота элементов в биосфере.

По мере движения энергии по пищевой цепи количество высококачественной энергии снижается. В среднем около 1% энергии высокого качества расходуется на построение собственной биомассы на каждом трофическом уровне и около 10% передается на следующий трофической уровень.

Указанные соотношения известны в экологии, как “правило одного процента” и “правило десяти процентов”, а схема движения энергии по трофическим уровням получила название экологической пирамиды энергетических потоков. Каждый трофический уровень в ней изображается прямоугольником, у которого длина большей стороны пропорциональна количеству энергии, накопленной на этом уровне единицей объема в единицу времени. Поскольку количество энергии по мере движения по пищевой цепи убывает, экологическая пирамида имеет вид треугольника с вершиной, обращенной вниз.

В экологии известны еще два вида пирамид - пирамиды численностей и биомасс. Пирамиды биомасс характеризуют содержание сухих органических веществ на каждом трофическом уровне. Размер каждого слоя в пирамиде пропорционален сухой массе всех организмов, обитающих на единице площади (объема) каждого уровня определенной экосистемы. Для большинства наземных экосистем суммарная биомасса снижается по мере возрастания трофических уровней, в водных экосистемах биомасса фитопланктона (продуцент) может быть меньше биомассы зоопланктона.

Накопление растениями химической энергии можно считать полезной работой. Скорость, с которой накапливается химическая энергия в биомассе, называется чистой первичной продуктивностью. Она определяется, как разность между скоростью накопления энергии и скоростью использования части этой энергии в процессе клеточного дыхания.

Организмы являются одной составляющей биосферы, вторая составляющая - окружающая их среда. Химические и физические

факторы этой среды называются абиотическими. К ним, например, относятся свет, температура, вода, соленость и т.д. Все эти факторы могут воздействовать на организмы одновременно. Степень присутствия или отсутствия каждого из них существенно отражается на жизнеспособности организмов. Это сильно влияет на экосистему в целом.

4. 
   Законы функционирования экосистем
   

Первый закон. Основным условием долговременного выживания экосистем является многообразие видов биоты. Соответствующий закон, открытый в кибернетике Виннером-Шенноном-Эшби, носит название “закона необходимого многообразия видов”.

“Любая кибернетическая система только тогда обладает необходимой устойчивостью для блокирования внутренних и внешних возмущений, когда обладает достаточным внутренним многообразием”.

В биосфере был заложен огромный запас прочности, позволивший ей пережить все катаклизмы естественного происхождения. Однако в настоящее время, по разным оценкам, в биосфере из-за нарушения законов экологии погибает от одного до пяти видов в час. Это неизбежно ведет к снижению устойчивости биосферы.

Второй закон. Распространение организмов в экосистемах обусловлено их устойчивостью к физическим и химическим факторам окружающей Среды.

Диапазон колебаний абиотических факторов, в котором обеспечивается полноценное процветание популяции, называется диапазоном толерантности. Этот диапазон включает в себя также значения абиотических факторов, в той или иной степени отклоняющихся от оптимального значения. При таких отклонениях выживает меньшее количество особей, но вид сохраняется. Закон толерантности можно сформулировать в следующем виде: “Любая популяция может полноценно существовать только в пределах определенного диапазона колебаний абиотических факторов Среды обитания. Этот диапазон включает в себя оптимальную зону, в которой популяция способна к процветанию, и зону физиологического стресса, в которой выживает часть организмов”.

Третий закон. Закон порогового эффекта: “При постепенном изменении абиотических факторов популяция способна расширять диапазон толерантности, постепенно приближаясь к некоторому, свойственному каждой популяции, предельному значению, при котором “внезапно” возникает болезненная реакция или фатальный исход”.

Способность организмов адаптироваться к изменению условий обитания (акклиматизация) является их полезным защитным свойством. Однако этот механизм не лишен недостатков: пределы адаптации заранее неизвестны и пороговый предел наступает внезапно, без каких-либо предупреждений.

Четвертый закон носит название “Закон лимитирующего фактора” и формулируется следующим образом: “Избыток или недостаток любого абиотического фактора может повлечь за собой ограничение или остановку роста популяции видов в экосистеме, даже если все остальные факторы находятся в диапазоне толерантности для этих видов. Ограничивающий рост популяции видов абиотический фактор называется лимитирующим”. Как правило, лимитирующими факторами наземных экосистем являются вода, температура, питательные вещества. Лимитирующими факторами водных экосистем являются соленость, освещенность, температура и наличие кислорода.

Как правило, при внимательном изучении естественных экосистем обнаруживается нарушение в той или иной степени всех законов, обеспечивающих их устойчивость.
В экосистемах четко взаимодействуют друг с другом продуценты, консументы и редуценты, поглощая и выделяя различные вещества. В этом состоит первый основной принцип функционирования экосистем: получение ресурсов и избавление от отходов в рамках круговорота всех элементов экосистемы. Этот принцип гармонирует с законом сохранения массы.

Поток энергии в экосистемах полностью соответствует началам термодинамики. Большая часть солнечной энергии, достигающей поверхности планеты, превращается в тепловую, нагревая воду, почву, от которых, в свою очередь, нагревается воздух. Это тепло является движущей силой круговорота воды, воздушных потоков и океанических течений, определяющих погоду. Однако постепенно оно отдается в космическое пространство, где и теряется. Экосистемы используют лишь небольшую часть солнечного потока энергии. В этом состоит второй основной принцип функционирования экосистем: они существуют за счет незагрязняющей среду и практически вечной солнечной энергии, количество которой постоянно и избыточно.

Следующий принцип функционирования экосистем связан с соотношениями биомасс популяций. Любую популяцию живых организмов можно рассматривать как биомассу, которая каждый год увеличивается за счет роста и размножения организмов и одновременно сокращается за счет их естественной гибели и потребления консументами. В стабильных экосистемах биомасса остается на постоянном уровне. Третий основной принцип функционирования экосистем: чем больше биомасса популяции, тем ниже должен быть занимаемый ею уровень.

В буквальном переводе термин “биосфера” обозначает сферу жизни и в таком смысле он впервые был введен в науку в 1875 г. австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом (1831 – 1914). Однако задолго до этого под другими названиями, в частности "пространство жизни", "картина природы", "живая оболочка Земли" и т.п., его содержание рассматривалось многими другими естествоиспытателями.

Первоначально под всеми этими терминами подразумевалась только совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете, хотя иногда и указывалась их связь с географическими, геологическими и космическими процессами, но при этом скорее обращалось внимание на зависимость живой природы от сил и веществ неорганической природы. Даже автор самого термина "биосфера" Э.Зюсс в своей книге "Лик Земли", опубликованной спустя почти тридцать лет после введения термина (1909 г.), не замечал обратного воздействия биосферы и определял ее как "совокупность организмов, ограниченную в пространстве и во времени и обитаюшую на поверхности Земли".

Первым из биологов, который ясно указал на огромную роль живых организмов в образовании земной коры, был Ж.Б.Ламарк (1744 – 1829). Он подчеркивал, что все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов.

Факты и положения о биосфере накапливались постепенно в связи с развитием ботаники, почвоведения, географии растений и других преимущественно биологических наук, а также геологических дисциплин. Те элементы знания, которые стали необходимыми для понимания биосферы в целом, оказались связанными с возникновением экологии, науки, которая изучает взаимоотношения организмов и окружающей среды. Биосфера является определенной природной системой, а ее существование в первую очередь выражается в круговороте энергии и веществ при участии живых организмов.

Очень важным для понимания биосферы было установление немецким физиологом Пфефером (1845 – 1920) трех способов питания живых организмов:

• 
  автотрофное – построение организма за счет использования веществ неорганической природы;
  
• 
  гетеротрофное – строение организма за счет использования низкомолекулярных органических соединений;
  
• 
  миксотрофное – смешанный тип построения организма (автотрофно-гетеротрофный).
  

Биосфера (в современном понимании) – своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.

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

• 
  Атмосфера – наиболее легкая оболочка Земли, которая граничит с космическим пространством; через атмосферу осуществляется обмен вещества и энергии с космосом.
  

Атмосфера имеет несколько слоев:

• 
  тропосфера – нижний слой, примыкающий к поверхности Земли (высота 9–17 км). В нем состредоточено около 80% газового состава атмосферы и весь водяной пар;
  
• 
  стратосфера;
  
• 
  ноносфера – там “живое вещество” отсутствует.
  

Преобладающие элементы химического состава атмосферы: N2 (78%), O2 (21%), CO2 (0,03%).

• 
  Гидросфера – водная оболочка Земли. В следствие высокой подвижности вода проникает повсеместно в различные природные образования, даже наиболее чистые атмосферные воды содержат от 10 до 50 мгр/л растворимых веществ.
  

Преобладающие элементы химического состава гидросферы: Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Cl^–, S, C. Концентрация того или иного элемента в воде еще ничего не говорит о том, насколько он важен для растительных и животных организмов, обитающих в ней. В этом отношении ведущая роль принадлежит N, P, Si, которые усваиваются живыми организмами. Главной особенностью океанической воды является то, что основные ионы характеризуются постоянным соотношением во всем объеме мирового океана.

• 
  Литосфера – внешняя твердая оболочка Земли, состоящая из осадочных и магматических пород. В настоящее время земной корой принято считать верхний слой твердого тела планеты, расположенный выше сейсмической границы Мохоровичича. Поверхностный слой литосферы, в котором осуществляется взаимодействие живой материи с минеральной (неорганической), представляет собой почву. Остатки организмов после разложения переходят в гумус (плодородную часть почвы). Составными частями почвы служат минералы, органические вещества, живые организмы, вода, газы.
  

Преобладающие элементы химического состава литосферы: O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K.

Ведущую роль выполняет кислород, на долю которого приходится половина массы земной коры и 92% ее объема, однако кислород прочно связан с другими элементами в главных породообразующих минералах. Т.о. в количественном отношении земная кора – это “царство” кислорода, химически связанного в ходе геологического развития земной коры.

Постепенно идея о тесной взаимосвязи между живой и неживой природой, об обратном воздействии живых организмов и их систем на окружающие их физические, химические и геологические факторы все настойчивее проникала в сознание ученых и находила реализацию в их конкретных исследованиях. Этому способствовали и перемены, произошедшие в общем подходе естествоиспытателей к изучению природы. Они все больше убеждались в том, что обособленное исследование явлений и процессов природы с позиций отдельных научных дисциплин оказывается неадекватным. Поэтому на рубеже ХIХ – ХХ вв. в науку все шире проникают идеи холистического, или целостного, подхода к изучению природы, которые в наше время сформировались в системный метод ее изучения.

Результаты такого подхода незамедлительно сказались при исследовании общих проблем воздействия биотических, или живых, факторов на абиотические, или физические, условия. Так, оказалось, например, что состав морской воды во многом определяется активностью морских организмов. Растения, живущие на песчаной почве, значительно изменяют ее структуру. Живые организмы контролируют даже состав нашей атмосферы. Число подобных примеров легко увеличить, и все они свидетельствуют о наличии обратной связи между живой и неживой природой, в результате которой живое вещество в значительной мере меняет лик нашей Земли. Таким образом, биосферу нельзя рассматривать в отрыве от неживой природы, от которой она, с одной стороны зависит, а с другой – сама воздействует на нее. Поэтому перед естествоиспытателями возникает задача – конкретно исследовать, каким образом и в какой мере живое вещество влияет на физико-химические и геологические процессы, происходящие на поверхности Земли и в земной коре. Только подобный подход может дать ясное и глубокое представление о концепции биосферы. Такую задачу как раз и поставил перед собой выдающийся российский ученый Владимир Иванович Вернадский (1863 – 1945).