I. Предмет экологии, методы и задачи экологии План
| Вид материала | Лекция |
- Программа вступительного экзамена в аспирантуру по специальной дисциплине 03. 02., 89.09kb.
- Вопросы к зачету по дисциплине «Экология», 38.39kb.
- Шилов И. А. Экология. М.: Высшая школа, 1998. Николайкин Н. И., Николайкина Н. Е.,, 25.15kb.
- Экология как научная, 94.09kb.
- Тематический план подготовки в Учебно-производственном экологическом центре специалистов, 75.64kb.
- Экология человека как научная, 87.99kb.
- Программа минимум кандидатского экзамена по специальности 03. 02. 08 экология, 290.05kb.
- План лекций по основам экологии и охраны природы для студентов 4 курса фармацевтического, 26.46kb.
- 1. Предмет, задачи и проблемы экологии как науки, 368.36kb.
- Задания к теоретической части программы (разработала: Оскирко С. А.) Предмет и задачи, 130.37kb.
3.6. Эволюция биосферы
Эволюция биосферы состоит из добиотической фазы, в ходе которой химическая эволюция подготовила возникновение жизни.
^ Добиотическая эволюция.
1.Образование планеты и ее атмосферы (4,5 млрд лет назад). Первичная атмосфера имела высокую температуру, была резко восстановительной и содержала водород, азот, пары воды, метан, аммиак, инертные газы, возможно, оксид углерода, цианистый водород, формальдегид и др.
2.Возникновение абиотического круговорота веществ в атмосфере за счет ее постепенного остывания и энергии солнечного излучения. Появляется жидкая вода, формируется гидросфера, круговорот воды, водная миграция элементов и многофазные химические реакции. Благодаря автокатализу происходит образование и рост молекул.
3. Образование органических соединений в процессах конденсации и полимеризации простых соединений углерода, кислорода, азота, водорода за счет энергии ультрафиолетового излучения Солнца, радиоактивности, электрических разрядов и других энергетических импульсов. Аккумуляция лучистой энергии в органических веществах в результате фотохимических реакций и образование макроэргических соединений.
4.Возникновение круговорота органических соединений углерода, включающего реакции аккумуляции солнечной энергии и окислительно-восстановительные реакции – зародыш биотического круговорота биосферы. Дальнейшее усложнение органических веществ и появление устойчивых комплексов макромолекул, обладающих способностью к редупликации, возникновению молекулярных систем самовоспроизведения.
^ Биотическая эволюция
5. Возникновение жизни (3,5 млрд лет назад). Структуризация белков, нуклеиновых кислот с участием биомембран приводит к появлению вирусоподобных тел и первичных клеток, способных к делению – сперва хемотрофных прокариот и первичных клеток, затем эукариот. Возникает биотический круговорот и формируются биосферные функции живых веществ.
6. развитие фотосинтеза и обусловленное им изменение состава среды: биопродукция кислорода обуславливает постепенный переход к окислительной атмосфере. Ускоряется биогенная миграция элементов. Появление многоклеточных организмов, наземных растений и животных приводит к дальнейшему усложнению биотического круговорота. Возникают сложные экологические системы, содержащие все уровни трофической организации. Достигается высокая степень замкнутости биотического круговорота.
7.Увеличение биологического разнообразия и усложнение строения и функциональной организации живых существ и биосферы в целом. Организмами заняты все экологические ниши на планете. Полностью сформировалась средообразующая функция биосферы и биологический контроль ее гомеостаза. Преобразование среды вследствие деятельности организмов оказывает обратное действие на биоту и уравновешивается ее средорегулирующей функцией.
8. Появление человека – лидера эволюции. Возникновение и развитие человеческого общества, вовлечение в техногенез непропорционально больших (по мерам биосферы) потоков вещества и энергии нарушает замкнутость биотического круговорота, вызывает антропогенные экологические кризисы и становится негативным фактором эволюции.
Лекция 4. Экологическая среда
План
1. Классификация факторов среды
2. Формы реагирования живых систем на изменение факторов среды
3. Экологическая ниша
4. Основные типы межвидовых биотических взаимодействий
5. Ресурсы экосистем и биосферы
6. Почему для биоты биосферы важно сохранять заданные парамет ры факторов экологической среды.
^ 4.1. Факторы среды
Экологические факторы – это такие свойства компонентов экосистемы и ее внешней среды, которые оказывают непосредственное воздействие на особей данной популяции и на характер их отношений друг с другом и с особями других популяций.
^ Классификация факторов среды. Экологические факторы классифицируют по нескольким критериям. Внешние факторы оказывают влияние на организм, популяцию, экосистему, но не испытывают обратного действия: солнечная радиация, атмосферное давление, скорость течения, ветер. Внутренние связаны со свойствами экосистемы и образуют ее состав: численность популяции, пища, концентрации веществ т др.
Выделяют главные и второстепенные. Те из них, без которых невозможна жизнь и развитие организма – пространство, пища, вода, тепло, свет, кислород определяются как условия существования. Количественная оценка и доступность квалифицирует их как ресурсы. Факторы воздейстивия могут не действовать постоянно, но влияют на жизнедеятельность и распространение организмов.
По природе источников и характеру действия факторы среды разделяю на биотические и абиотические.
Абиотические – факторы неорганической (неживой) природы.
Это свет, температура, влажность, давление и др. природа самой среды – воздух, вода, почва. Абиотические факторы – физические поля (гравитационное, магнитное, электромагнитное), ионизирующая и проникающая радиация, движение сред (акустические колебания, волны, ветер, течения, приливы), суточные и сезонные изменения в природе. Они могут быть охарактеризованы количественно и измерены.
Биотические факторы обусловлены внутривидовыми и межвидовыми взаимодействиями организмов.
Особую группу составляют антропогенные факторы, порожденные деятельностью человека, человеческого общества. Они связаны с хозяйственным изъятием природных ресурсов, нарушением ландшафтов. Это вырубка лесов, распашка степей, осушение болот, промысел растений, рыб, зверей, птиц, замена природных комплексов сооружениями, коммунмкациями, водохранилищами, свалками и пустырями. Это и загрязнение природной среды и среды обитания человека – воздуха, воды, почв отходами производства и потребления. Это связано с применением техники, транспортом, строительства, промышленности и называется техногенными факторами.
^ 4.2. Закономерности абиотических воздействий
Диаграммы выживания. Каждый живой организм может существовать и продолжать свой род только в определенной области значений факторов. Существуют нижние и верхние пределы температуры, освещенности, концентрации кислорода, атмосферного давления. Это называется диапазоном выживания, зоной толерантности (терпение, выносливость) или биоинтервал фактора.
Биоинтервал ограничен крайними экстремальными для организмов значениями, за пределами которых уже невозможно нормальное осуществление жизненных функций.
График зависимости степени благоприятности от количественных значений фактора, то получаем вид куполообразной кривой – диаграмма выживания. Значения оптимума и величину биоинтервала определяют экспериментально. В области экстремальных значений фактора возрастает вероятность нарушения отдельных функций и нормальной жизнедеятельности в целом.
^ 4.3. Закономерности биотических воздействий
Возможные комбинации взаимодействий в природе:
Нейтрализм (0,0) – полное отсутствие зависимости (на первый взгляд); лев – антилопа; белки –клесты.
Аменсализм (-,0) – одностороннее угнетение (антибиотики и микроорганизмы, ель и травы под ней, «цветение» воды и гибель гидробионтов).
Комменсализм (+,0) –одностороннее благоприятствование (птицы в дуплах деревьев, грифы-падальщики, рыбы-прилипалы, животные, транспортирующие пыльцу и семена.
Конкуренция (-,-) один из главных мехнанимов регулирования численности организимов в природе. Совпадение ниш – внутривидовая конкуренция, которая хорошо выражена во многих популяциях растений и животных. Предмет конкуренции – пространство и пища.
Межвидовая конкуренция идет по пути конкурентного исключения либо замещения, которые сопровождаются пространственным разобщением или территориальным вытеснением. Взаимное угнетение видов, которое приводит к установлению конкурирующего равновесия.
Ресурс – эксплуататор (+,-), соединяются и противостоят благоприятствование и угнетение (растение и растительноядное животное, жертва и хищник, организм хозяина и паразит. Этими отношениями обусловлены цепи питания и трофические уровни.
Мутуализм (+,+) – взаимное положительное воздействие, широко распространено (лишайник – симбиоз гриба и водоросли, цветковые инасекомые-опылители, тли и пастухи-муравьи, бобовые и нитрификаторы.
^ 4.4. Ресурсы биосферы
Краткие характеристики важных экологических факторов ресурсов экосистем и биосферы с точки зрения приспособления к ним живых организмов.
Энергия. Главный источник – солнечный свет и пища, является практически неисчерпаемым ресурсом. Ее доступность обусловлена солнечной постоянной и климатом, первичной продукцией биосферы.
Солнечная радиация. Плотность потока солнечного излучения, достигающих атмосферы, составляет 1360 Вт/м2, эта величина называется солнечной постоянной. Часть энергии отражается атмосферой, другая часть поглощается ей и идет на ее нагревание.
Около 56% радиации идет на испарение воды, 44% расходуется на нагрев воздуха, воды, земли; менее 1% поглощается при фотохимических реакциях.
При прохождении солнечного излучения через атмосферу озоновым слоем поглощается коротковолновое ультрафиолетовое излучение, облачным покровом – инфракрасное.
Для биосферы радиационный баланс, сложившийся за млн лет является необходимым условием жизни.
Свет. Свет – источник энергии для фотосинтеза. Растения приспособлены к определенной освещенности, которая зависит от сезонной и годовой суммы радиационного баланса.
Продолжительность светлого времени суток – фотопериодизм в высоких широтах 14…15 час, в тропиках 10…11 час. Фотопериод и температура обуславливают волны жизни.
Пища. Она – источник энергии и материал для построения и обновления клеток, для продукции и размножения. Количество пищи определяется чистой первичной продукцией растений. Это 140 млрд т в год сухого вещества фитомассы, в которой заключено 2,3 1021 Дж энергии. Все это количество используют гетеротрофы, биомасса их на 2 порядка меньше.
^ Климатические факторы. Теплофизические процессы в атмосфере реализуются в виде климата. В эколого-климатическую характеристику местности входят колебания температуры, количество осадков, испаряемость, сила и направление ветров, влажность, солнечная радиация.
Температура. Имеет наибольшее экологическое значеие, оказывая большое влияние на энергетику биоты. Диапазон на Земле от -88,3 (ст. Восток, Антарктида0 до +58,7 (Ливия). Средняя годовая температура воздуха (без Антарктиды) +15,70С, средняя температура гидросферы +3,30С.
Максимальный температурный диапазон активной жизни для большинства – от 0 до 500С, в горячих источниках микроорганизмы – до 850С.
Диапазон неактивного состояния длительное время от 0 до 4000К (криобиоз). Это семена, споры, свободные клетки, низшие беспозвоночные, рыбы, амфибии. Используется в восстановительной хирургии, создании генных и репродукционных банков.
Адаптации к температуре. Эктотермы – подчиненные внешней температуре; эндотермы – поддерживают постоянную высокую температуру тела, песец, полярная сова, белый гусь могут поддерживать разность температур тела и среды в 1000 и более.
Приспособление к высокой температуре ограничено, разница на единицы градусов.
Вода. Преобладающее большинство живых существ нуждается в пресной воде, суммарный мгновенный объем около 180 тыс км3 это 0,013% общего количества воды на планете. Ресурсы распределены крайне неравномерно, годовое количество осадков – от 0 до 12 500 мм. Более 66% площади суши занимают территории с отрицательным водным балансом, где испарение превышает выпадение осадков.
Все организмы так или иначе несут в себе отпечаток водного происхождения жизни. Особенности водной среды вырабатывают у ее обитателей разнообразные приспособления к температурному, газовому, солевому составу и перемещению в плотной среде, давлению. У кальмаров, рыб, китообразных настолько совершенны средства передвижения в водной среде (морфология, энергетика мышц, колебательная кинематика тела, плавников, водореактивные движители, что их до сих пор не могут превзойти технические средства ни по энергетической эффективности, ни по скорости.
Кислород. Важное физиологическое значение. Концентрация в воздухе – 21%, в почве и глубоких норах – до 15%. Мощные механизмы адаптации у ныряющих животных, морские черепахи в воде 6 час, змеи – 2,5 час, кашалоты 2 час, глубина погружения до 1000 м. Самые ранние формы были анаэробами.
Почва значительно менее динамична. По Вернадскому – биокостное вещество (4 фазы). Почвы неустойчивы, сильно зависит от связанного с ней сообществ и восстанавливается намного медленнее, чем другие биологические ресурсы.
Техносфера и поглощение природных ресурсов
^ ЗАКОНЫ ЭКОЛОГИИ
Закон биогенетический (Геккеля и Мюллера) – организм (особь) в индивидуальном развитии (онтогенезе) повторяет (в сокращенном и закономерно измененном виде) историческое (эволюционное) развитии своего вида (филогенез). В экологии этот закон имеет подобное значение как исторический предшественник системогенетического закона.
Закон биогенной миграции атомов ( В. И. Вернандского) – миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере осуществляется при непосредственном участии живого вещества – биогенная миграция.
^ Она также протекает в среде геохимические особенности которой (О2, CO2 , H2) обусловлены живым существом, как тем, которое в настоящее время населяет биосферу, так и тем, которое действовало на земле в течении всей геологической истории.
Примечание: закон биогенной миграции атомов имеет важное теоретическое и практическое значение. Согласно ему, понимание общих химических процессов, протекавших и протекающих на поверхности суши, в атмосфере и в заселенных организмами глубинах литосферы и вод, а так же геологических слоях, сложенных прошлой деятельностью организмов, невозможно без учета биотических и биогенных факторов, в том числе эволюционных. Поскольку люди прежде всего воздействуют на биосферу и её живоё население, они тем самым изменяют условия биогенные миграции атомов, создавая предпосылки для ещё более химических перемен. В исторической перспективе. Таким образом процесс может стать саморазвивающимся, не зависящим от желания человека, и практически, при глобальном размахе, не управляемым. Отсюда из самых насущных потребностей – сохранение живого покрова Земли в относительно не измененное состояние. Тот же закон определяем и необходимость учета прежде всего воздействии на биоту при любых проектах преобразования природы. В этом случае происходят региональные и локальные изменения в химических процессах, при любых крупных ошибках, ведущие к деградации среды – опустыниванию. Этот закон дает в руки человечества ключи для сознательного и активного предотвращении нежелательных биохимических процессов на планете и управление ими в её регионах. Там, где раньше были сделаны упущения и среда жизни деградировала, на его основе возможно активное ( но постепенное) выправление сложившегося положения, главным образом с помощью «мягкого», опосредованного управления природными процессами.
Закон внутреннего динамического равновесия – вещество, энергия, информация – и динамические качества отдельных природных систем и их иерархия связанны на столько, что любое изменение одного из этих показателей вызывает сопутствующие функционально – структурные количественные и качественные перемены, сохраняющие общую сумму вещественно – энергетических, информационных и динамических качеств систем, где эти изменения происходят или в их иерархии.
Эмпирические следствия этого закона:
- Любое изменение среды (вещества, энергии, информации, динамических качеств экосистем) неизбежно приводит к развитию природных цепных реакций, идущие в сторону нейтрализации производственного изменения или формирования новых природных систем, образование которых при значительный изменениях среды может принять необратимый характер.
- Взаимодействие вещественно – энергетических экологических компонентов (энергии, газов, жидкости, субстратов, организмов продуцентов, консументов и редуцентов), информации и динамических качеств природных систем количественно и не линейно, то есть слабое воздействие или изменение одного из показателей может вызвать сильное отклонение в других (и во всей системе в целом).
- Производимые в крупных экосистемах перемены относительно необратимы, проходя по иерархии снизу вверх - от места воздействия до биосферы в целом, они меняют глобальные процессы и тем самым переводят их на новый эволюционный уровень.
- Любое местное преобразование природы вызывает в глобальной совокупности биосферы и в ее крупнейших подразделения ответные реакции, приводящие к относительной неизменности эколого – экономического потенциала («правило Тришкина кафтана»), увеличение которого возможно лишь путем возрастания энергетических вложений (см закон снижения энергетической эффективности природопользования). Искусственный рост эколого – экономического потенциала ограничен термодинамической устойчивостью природных систем.
Примечание: З. в. Д. р. – одно из узловых положений в природопользовании. Пока изменение среды слабы и произведены на относительно не большой площади, они или ограничиваются конкретным местом, или «гаснут» в цепи иерархии экосистем, но как только перемены достигают существенных значений для крупных экосистем, например, происходит в масштабах больших речных бассейнах или в размерах, ограниченных правилах 1-10%, они приводят к существенным сдвигам в этих обширных природных образованиях, а через них, согласно второму следствию из этого закона и во всей биосфере Земли. Будучи относительно необратимыми (3-е следствие из З. В. Д. Р.), изменение в природе в конечном итоге показываются и трудно нейтрализуемыми с социально - экономической точки зрения: их выправление требует больших материальных средств и физических усилий. Иногда возникает даже ситуация, сформулированная автором в виде афоризма «Чем больше мы пустынь превратим в цветущие сады, тем больше цветущих садов мы превратим в пустыне», если, конечно, мы не пользуемся З В. Д. Р. Для разумного управления природными процессами.
Сдвигая динамически равновесное (квазистационарное) состояние природных систем ( см. равновесие природное – 4 и равновесие экологическое) с помощью значительных значений энергии (например, путем распашки и других агротехнических приемом), люди нарушают соотношение экологических компонентов, достигая увеличения полезной продукции (урожая) или состояния среды, благоприятного для жизни и деятельности человека. Если эти сдвиги «гаснут» в иерархии природных систем ( от элементарных биогеоцинозов до биосферы и экосферы планеты в целом) и не вызывают термодинамического разлада в данной природной системе, положение благоприятно. Однако излишнее вложение энергии и возникающие в результате вещественно – энергетический разлад ведут к снижению природно – ресурсного потенциала вплоть до опустынивания территории, происходящего без компенсации: вместо цветущих садов возникают пустыни.
В связи с нелинейностью, неполной пропорциональностью взаимоотношения экологических компонентов и возникновением цепных природных реакций эффект ожидаемый при преобразовании природы может не возникнуть или оказаться намного сильнее, чем необходимо. В первом случае местная реакция как бы начнёт скользить по иерархии природных систем, растворяться в ней и достигнув уровня всей биосферы или её крупных подразделений, исчезнет она становиться не измеряемой при наших возможностях распознания перемен в природе. Во втором случае наоборот, надсистемы усиливают процесс сверху вниз, он делается острее, заметнее. Это заставляет при проектировании рассчитывать не только местные вещественно – энергетические балансы, но и вероятные изменения в надсистемах. В противном случае игнорировать З. В. Д. Р. Приводит к ошибкам в природопользовании.
Например при перегораживании пролива Кара – Богаз –Гол глухой плотиной для уменьшения потерь Каспийской воды от испарения не были учтены 1-е, 2-е и 3-е следствия З. В. Д. Р. Что вызвало к жизни действие 4-го закона. Согласно ему, следовало либо вовсе не возводить плотину, либо сразу строить водорегулирующие шлюзы. Ныне материальные и энергетические затраты и потери следствия и потери значительно превзошли те, что были изначально необходимы. См.правило цепные реакции при жестком управлении природой Противоположный пример дает агролесомелиорация степных и пустынных пространств, особенно вторичного, антропогенного происхождения. Тут восстановление бывшей когда-то лесистости приводит к значительному улучшению водного режима, повышению влажности воздуха, уменьшению скорости ветры и другим положительным явлениям, увеличивающим продуктивность земель. Причем, согласно 2ому следствию З. В. Д. Р. Положительные изменения приправильной организации работ могут значительно превысить расчетный результат.
Закон все или ничего: (Х. Боулича) – подпороговые раздражения не вызывают нервного импульса («ничего») в возбуждаемых тканях, а пороговые стимулы или суммированные подпороговых воздействий создают условия для формирования максимального ответа («все»). Физиологический в своей первооснове этот закон при перенесении на широкий круг систем (что соответствует эмпирическим данным) в формулировке слабые воздействия могут не вызывать у природной системы ответных реакций до тех пор, пока, накопившись, они не приведут к развитию бурного динамического прогресса полезен при экологическом прогнозировании. Закон отнюдь не абсолютен. Даже подпороговые воздействия, энергия которых ниже теоретически необходимой для выведения природных систем из равновесного состояния (например в случае воздействия радиации на живую клетку), иногда вызывают непропорционально сильные ответные реакции. См. устойчивость экосистемы.