Лекции по биосфере. Учебнометодическое пособие дляспециальности 5В060800 Экология
 Скачать 0.7 Mb.
|
|
Основные понятия:кайнозой, палеоген, неоген, антропоген, нуммулиты, австралопитек, питекантроп, гендельбергский человек, синантроп, неантроп. Вопросы для самоконтроля: 1 Дайте характеристику органическому миру палеогена. 2 Составьте геохронологическую шкалу кайнозойской эры. 3 Почему эпохи и отделы в четвертичном периоде называются разделами? 4 Кратко осветите историю возникновения современного типа человека. 5 Чем обусловлены оледенения четвертичного периода? Рекомендуемая литература: 1 Артамонова Е.Н.Учение о биосфере и ноосфере: Учебное пособие. – Семей: Семипалат. гос. пед. ин-т, 2010. – С. 30-33. 37 Лекция 5 МЕХАНИЗМЫ УСТОЙЧИВОСТИ БИОСФЕРЫ План лекции: 1 вопрос Синергетика биосферы (теория открытых систем) 2 вопрос Динамика популяций 3 вопрос Жизненные стратегии 4 вопрос Реализация экологических ниш 5 вопрос Принцип экологической эквивалентности 1 вопрос Синергетика биосферы (теория открытых систем) Все виды гомеостаза, наблюдаемого в живых организмах и экосистемах, не являются статическими, а достигаются за счет непрерывно протекающих процессов, активно препятствующих любой тенденции к нарушению этого постоянства. Законы развития живой и косной материи описываются двумя противоположными теориями - это классическая термодинамика и эволюционное учение Ч. Дарвина. Обе теории отражают единую физическую реальность, но соответствуют различным ее проявлениям. Согласно второму началу термодинамики, если рассматривать Вселенную как закрытую систему, она идет к своей неизбежной дезинтеграции, так как запас полезной энергии, приводящей мировую машину в движение, рано или поздно будет исчерпан. Если запас полезной энергии в системе тает, то ее способность поддерживать организованные структуры ослабевает. Высокоорганизованные структуры распадаются на менее организованные, которые в большей мере наделены случайными элементами. Мера внутренней неупорядоченности системы - энтропия - растет. Второе начало термодинамики предсказывает все более однородное будущее окружающего мира. Теория эволюции органического мира рассматривает биосферу как открытую систему, находящуюся в неравновесном состоянии и обменивающуюся веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Временной ход развития биосферы отнюдь не приводит к понижению уровня организации и обеднению разнообразия форм организмов и образуемых ими сообществ; развитие живой материи идет от низших форм к высшим. Обоснование совместимости второго начала термодинамики со способностью открытых систем к самоорганизации - одно из крупнейших достижений современной физики. Теория термодинамики открытых систем переживает бурное развитие. Г. Хакен (1994) предложил назвать эту область исследований синергетикой (от греч. sinergos - совместный, согласованно действующий). Термодинамика открытых систем изучает существенно неравновесные процессы. В их описании ключевую роль играет понятие возрастания энтропии системы за счет процессов, происходящих внутри нее. 38 Открытые системы, в которых наблюдается прирост энтропии, получили название диссипативных. Выдающаяся роль в развитии данного направления принадлежит И.Р. Пригожину (1986, 1994). Применению синергетики в развитии концепции биосферы и ноосферы посвящена статья В.И. Короткова (1996). Пригожин отмечает, что открытые системы непрерывно флуктуируют. Иногда отдельная флуктуация или их комбинация может стать (в результате положительной обратной связи) настолько сильной, что существовавшая прежде организация не выдерживает и разрушается. В этот переломный момент, в точке бифуркации, принципиально невозможно предсказать, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более высокий уровень организации. Диссипативные системы для поддержания своего функционирования требуют больше энергии, чем более простые структуры, на смену которым они приходят. При этом Пригожин подчеркивает возможность спонтанного возникновения порядка и организованности из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации. Рассмотрим движущие силы, которые поддерживают биосферу в устойчивом состоянии, - это динамика популяций, реализация разных жизненных стратегий организмов и занимаемых ими экологических ниш, сукцессии сообществ, соблюдение принципа экологической эквивалентности, а также рассмотренные нами функции живого вещества и биотические круговороты. 2 вопрос Динамика популяций Сохранность того или иного вида в сообществе основана на постоянной борьбе жизни и смерти. Популяция вида жизнестойка, если существует равномерный поток особей, протекающий через все возрастные классы данной популяции от рождения до биологической старости. Если смертность будет превышать численность приходящих на смену старым молодых видов, популяция деградирует; если количество молодых видов будет превышать смертность - популяция будет распространяться и вытеснять другие виды (Уиттекер, 1980). Во всех организмах заложена потенция размножения, выражающаяся геометрической прогрессией, графическим изображением которой является экспонента. Устойчивость биосферы основана на постоянной экспансии живого вещества, борьбе за существование и вытекающем из нее естественном отборе, охватывающем не только отдельные организмы, но и целые популяции, сообщества, а в конечном счете биогеоценотический покров всей Земли. При ухудшении биотических и абиотических условий среды в популяции могут сохраниться только те особи, которые генетически лучше приспособлены к суровому природному окружению. Иными словами, 39 начинает действовать классический механизм естественного отбора по Дарвину. Неограниченный экспоненциальный рост популяции подобен взрыву, он приводит к истощению и полному разрушению ресурсов среды. В основе существования любой популяции, подчеркивает Р. Уиттекер, лежит конфликт между свойственной организму тенденцией увеличивать свою численность и разнообразными ограничениями, которые препятствуют такому увеличению. Если система не получает постоянной подпитки необходимыми ресурсами извне, устойчивое состояние может быть достигнуто только при условии равных значений рождаемости и смертности особей. Р. Уиттекер указывает на существование приспособлений, благодаря которым потери популяции сокращаются, когда ее численность и ресурсы среды входят в конфликт. Он называет этот феномен буферностью популяции. Например, как только вид становится редким, хищничество по отношению к нему может уменьшиться. Хищники могут забыть способ поиска подобных жертв и не считать их пищей. Многие организмы (растения, членистоногие и др.) переносят неблагоприятный период в форме покоящихся спор. Последние могут оставаться в почве до тех пор, пока условия среды не станут благоприятными, тогда из них вновь появляются и размножаются активные особи. Так пустынные эфемеры в виде семян переживают неблагоприятные сезоны или, если это потребуется, даже периоды неблагоприятных лет. 3 вопрос Жизненные стратегии К механизмам устойчивости сообществ относится также и то, что популяции представлены видами с различной жизненной стратегией, т.е. с особыми приспособлениями, обеспечивающими им возможность обитать совместно с другими организмами и занимать определенную экологическую нишу в соответствующем биоценозе (Работнов, 1980). Л. Г. Раменский (1938) первым выделил три фитоценотипа: 1) виоленты - львы - сильные конкуренты, способные захватывать место и удерживать его за собой благодаря энергии жизнедеятельности и полноте использования среды; 2) патиенты - верблюды - виды, способные довольствоваться незначительным количеством ресурсов и быть устойчивыми к суровым условиям среды; 3) эксплеренты - шакалы - слабые конкуренты, способные временами взрывообразно резко повышать свое участие в ценозах, но доминирующие относительно непродолжительное время. Система эколого-ценотических стратегий растений Э. Пианки (1981), получившая широкое распространение в экологии, включает два типа стратегий, сформировавшихся под давлением К- и r -отборов. К-стратегия определяется энергетическими затратами на поддержание 40 жизнедеятельности взрослых особей; r-стратегия - затратами на размножение. R-стратеги приурочены к более или менее стабильным условиям среды, обладают равновесными популяциями и приспособлены к условиям острой конкуренции. Это многолетние растения с медленным развитием и жизненной формой от трав до деревьев. r-стратеги, напротив, предпочитают нестабильные местообитания и характеризуются неравновесными популяциями. Это, как правило, одно-, малолетние травянистые растения с высокой репродуктивной активностью. Э. Пианка отмечает относительность разделения всех видов растений на два типа стратегий, подчеркивая, что «мир не окрашен только в черное и белое и крайние варианты, как правило, связаны гаммой переходов» (1981). Если, скажем, положение однолетних рудералов как типичных г-стратегов не вызывает сомнений, то белая полынь, несмотря на то, что является соэдификатором зональных типов полупустынных сообществ Северо- Западного Прикаспия, занимает переходное положение, так как наряду с признаками К-стратега она обладает несомненными свойствами г-стратега. 4 вопрос Реализация экологических ниш Экологическая ниша - основной структурный элемент биогеоценоза. Каждая видовая популяция в сообществе реализует определенную экологическую нишу, границы которой контролируются условиями среды во времени, пространстве и в градиентах абиогенных факторов. Отсюда следует, что новый вид не может образоваться, если нет свободной ниши или если образующийся вид не может ее «отобрать» у какого-нибудь другого вида, участвующего в экосистеме (Левченко, 1995). Вхождение новых видов в устойчивую экосистему осуществляется главным образом путем открытия новых ниш, что создает тенденцию к структурному усложнению, отождествляемому с морфологическим прогрессом (Красилов, 1995). Экологические ниши, объединяемые определенными типами связей, образуют функциональные подсистемы (блоки) сообщества. В качестве таких блоков, например, выступают синузии автотрофов, гильдии гетеротрофов, консорции - вся совокупность ниш, связанных прямыми связями с крупным организмом, вмещающим массу ниш мелких организмов. Каждая ниша может входить одновременно в несколько функциональных блоков, а в пределах одного блока они могут перекрываться. Выделяются также ниши доминирующих (ядерных) и подчиненных (сателлитных) ценопопуляций. Описание связей между растениями и животными в экологических нишах возможно в рамках классификации В. Н. Беклемишева (1970), в которой все многообразие связей сведено к четырем фундаментальным типам: 1) трофические (по питанию), 2) топические (по местоположению), 41 3) форические (по переносу, например, между растением и его опылителем), 4) фабрические (по материалу, используемому животными для обустройства гнезд, укрытий и т.п.). Эта система является исчерпывающей и позволяет описать любые типы взаимоотношений между экологическими нишами. Р. Уиттекер (1980) подвергает сомнению гипотезу о том, что стабильность сообщества - это результат наличия большого числа взаимно приспособленных друг к другу видов. Представление о том, что сложность ведет к стабильности, пишет Уиттекер, более привлекательно, чем верно. На самом деле увеличение числа видов и сложности взаимоотношений, скорее, является причиной уязвимости сообществ при их нарушении. Этот эффект особенно ярко проявляется при антропогенном воздействии на древние сложные по составу и структуре сообщества, например, дождевых тропических лесов или коралловых рифов. Сложные сообщества оказываются более уязвимыми в условиях, когда их среда резко нарушается; они могут развиваться только в стабильных условиях. 5 вопрос Принцип экологической эквивалентности А.М. Алпатьев (1978) предложил оценивать состояние природы, исходя из принципа экологической эквивалентности: возникающие в результате антропогенного воздействия динамические равновесия должны быть эквивалентны средообразующим функциям естественных экосистем. Следует признать, что эволюция биосферы в фанерозое происходила именно согласно этому принципу: леса лепидофитов каменноугольного периода уступили место лесам голосеменных и покрытосеменных растений мезозоя и кайнозоя, формациям травянистой растительности. Несмотря на смену сообществ, все они исправно выполняли свои средообразующие функции. Принцип эквивалентности расширяет трактовку понятия устойчивости биосферы: она может считаться устойчивой, если возникающие в ней экосистемы будут по основным средообразующим функциям эквивалентны старым. Сформулируем некоторые выводы из изложенного: - биосфера служит не просто источником ресурсов для человека и приемником отходов его производства и жизнедеятельности - это гораздо более сложная система, фундамент жизни, в которой сама биота обеспечивает стабильность окружающей среды; - биосфера обладает предельной хозяйственной емкостью; - существует верхний порог этой емкости, превышение которого нарушает устойчивость биоты и окружающей среды; - в пределах хозяйственной емкости биосфера и земные экосистемы выполняют принцип Ле-Шателье, быстро восстанавливают все нарушения окружающей среды, и последняя остается устойчивой; способность восстановления в абсолютных величинах, как и предел хозяйственной 42 емкости, меняются от ландшафта к ландшафту в зависимости от продуктивности биоты: в пустынях эта способность наименьшая, а в лесах - наибольшая; - превышение хозяйственной емкости приводит к прекращению выполнения принципа Ле-Шательебиотой, быстрому и все большему размыканию биотического круговорота веществ, искажению геохимических балансов в экосистемах, что, в конечном счете, ведет к загрязнению окружающей среды; - нарушения окружающей среды ведут к трансформации экологических ниш и, как следствие, гибели многих видов организмов; - главной задачей человека является сохранение и восстановление естественных сообществ организмов в таких масштабах, чтобы вернуться в пределы хозяйственной емкости биосферы в целом; только при этом условии прекратится трансформация окружающей среды, будет обеспечена ее стабильность. Основные понятия:синергетика, диссипативная система, точка бифуркации, виоленты, патиенты, эксплеренты, К-стратегия, r-стратегия, экологическая ниша, принцип экологической эквивалентности. Вопросы для самоконтроля: 1 Что такое синергетика? Какую роль она играет в понимании законов развития природы? 2 Перечислите основные механизмы, обеспечивающие устойчивость биосферы. 3 В чем разница между экспоненциальной и логистической кривыми роста популяции? 4 Дайте сравнительную характеристику типов стратегий растений. 5 Назовите характерные особенности r- и К-видов. 6 Каким образом реализация экологических ниш обеспечивает стабильность биосферы? 7 В чем заключается принцип экологической эквивалентности? Рекомендуемая литература: 1 Артамонова Е.Н.Учение о биосфере и ноосфере: Учебное пособие. – Семей: Семипалат. гос. пед. ин-т, 2010. – С. 34-45. 2 Петров К.М. Общая экология: взаимодействие общества и природы. - С-Пб: Химия, 1997. – С. 126-137. 43 Лекция 9 УЧЕНИЕ О НООСФЕРЕ План лекции: Вопрос 1 Концепция ноосферы Вопрос 2 Условия ноосферной организации Вопрос 3 Концепция устойчивого развития Вопрос 1 Концепция ноосферы Ноосфера (гр. noos – разум и sphaira –шар, буквально «мыслящая оболочка») – сфера разума, высшая стадия развития (по В.И. Вернадскому) биосферы, связанная с возникновением и становлением в ней цивилизованного человечества, с периодом, когда разумная человеческая деятельность становится главным определяющим фактором развития на Земле. Понятие ноосфера введено французскими учеными Э. Леруа (1927) и П.Тейяром де Шарденом (1930) и использовано В.И. Вернадским в статье «Несколько слов о ноосфере» (1944). В этой же статье В.И. Вернадский писал: «В общежитии обычно говорят о человеке как о свободно живущем и передвигающемся на нашей планете индивидууме, который свободно строит свою историю. До сих пор историки, вообще ученые гуманитарных наук, а в известной мере и биологи, сознательно не считаются с законами природы биосферы – той земной оболочки, где может только существовать жизнь. Стихийно человек от нее неотделим». Это означает, что человек должен следовать законам биосферы и учитывать ограничения, налагаемые этими законами на развитие цивилизации. При анализе наследия В.И. Вернадского этому важному положению уделяется все еще недостаточно внимания. Идеи о ноосфере разбросаны по многим сочинениям В.И. Вернадского, но нет законченного труда, в котором представления о ноосфере были бы изложены с такой, же полнотой, как о биосфере. Переход в эпоху ноосферы В.И. Вернадский рассматривал как один из актов «приспособления» человечества. Все живые организмы приспосабливаются, но человек включает в этот процесс разум. В книге «Происхождение человечества и эволюция разума» Э. Леруа писал: «Начиная с человека, эволюция осуществляется новыми, чисто психологическими средствами: через промышленность, общество, язык, интеллект и т.д., и, таким образом, биосфера переходит в ноосферу». Здесь впервые был предложен термин «ноосфера». Он широко использовался в главной работе П. Тейяра де Шардена «Феномен человека». В.И. Вернадский позже отмечал: «Я принимаю идею Леруа о ноосфере. Он развил глубже мою биосферу». Наряду с термином «ноосфера» для обозначения всей совокупности процессов, связанных с разумной деятельностью человека на планете, предлагались также термины «интеллектосфера» (А. Гумбольдт), 44 «техносфера» (А.И. Ферсман), «пневматосфера» (П.В. Флоренский), «семиосфера» (Ю.М. Лотман). Однако именно термин «ноосфера» оказался наиболее содержательным и перспективным. Прежде всего, аналогично биосфере ноосферу определяют как географическую оболочку земного шара, в которой основную роль играют превращения вещества, энергии и информации, связанные с деятельностью человека. В этом смысле ноосфера появилась одновременно с возникновением вида человек разумный. Другой смысл связан с пониманием ноосферы как идеала такой организации деятельность человека на планете, которая была бы в полном смысле слова разумной, обеспечивала оптимальную «коэволюцию» (Н.Н. Моисеев) биосферы и человечества, опирающуюся на гармоничное существование различных культур, «цветущее многообразие» (К.Н. Леонтьев) которых не менее важно для устойчивости ноосферы, чем разнообразие видов для биосферы. Особый интерес к ноосфере стал расти в 1970-х годах, после осознания необходимости выхода из глобального экологического кризиса, созданного деятельностью человека. |