ХОС Хохлова Воронеж

Например, различают климатические (относящиеся к климату), эдафические (почвенные) факторы среды и др.

Необходимо отметить, что все факторы действуют вместе. Экологические факторы определяют условия существования организмов. На рисунке 3 представлена общая схема экосистемы с биотической структурой, действующими экологическими факторами и потоками вещества, энергии и информации.

Рис. 3. Структура экосистемы

Часто термины «экосистема» и «биогеоценоз» употребляют как синонимы.

Биогеоценоз – однородный участок земной поверхности с определенным составом живых (биоценоз) и косных (приземной слой атмосферы, солнечная энергия, почва и др.) компонентов и динамическим взаимодействием между ними (обмен веществом и энергией). Термин предложил В.Н. Сукачев в 1940 г.

Биоценоз – совокупность растений, животных и микроорганизмов, населяющих данный участок суши или водоема, и характеризующийся определенными отношениями между собой и приспособленностью к условиям окружающей среды (например, биоценоз озера, леса).

Биологический вид – совокупность популяций особей, способных к скрещиванию с образованием плодовитого потомства, обладающего рядом

11

общих морфофизиологических признаков, населяющих определенный ареал, обособленных от других нескрещиваемостью в природных условиях (например серый воробей).

Популяция (от лат. populus – народ, население) – совокупность особей одного вида, длительно занимающих определенное пространство и воспроизводящая себя в течение большого числа поколений. Население одного вида на определенной территории. В современной биологии популяция рассматривается как элементарная единица процесса эволюции, способная реагировать на изменения среды перестройкой своего генофонда.

Особь – наименьшая неделимая единица биологического вида.

2 УЧЕНИЕ В.И. ВЕРНАДСКОГО О БИОСФЕРЕ

Биосфера – область активной жизни, охватывающая нижнюю часть атмосферы, гидросферу, и верхнюю часть литосферы. В биосфере живые организмы (живое вещество) и среда их обитания органически связаны и взаимодействуют друг с другом, образуя целостную динамическую систему.

В1803 г. Жан Батист Ламарк употребил этот термин, но его забыли.

В1875 г Эдуард Зюсс употребил и закрепил его в науке. В 1914 г. этот термин впервые использовал В.И. Вернадский. Учение о биосфере как об ак-

тивной оболочке Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов (в том числе и человека) проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба и значения, создано В.И. Вернандским и изложено в книге «Биосфера» в 1926 г. Книга переведена на французский и английский языки.

Существует множество определений Биосферы, отражающих по сути одно и тоже.

Биосфера – сфера жизни всего живого и человека в том числе. Это лицо планеты, область существования живого вещества.

Биосфера – область «жизни», пространство на поверхности земного шара, в котором обитают живые существа.

Биосфера – это живая оболочка Земли, совокупность экосистем. Биосфера – тонкая оболочка Земли, состав, структура и энергетика

которой в существенных чертах обусловлены прошлой или современной деятельностью живых организмов.

Биосфера – глобальная единая система Земли, где весь основной ход геохимических и энергетических превращений определяется жизнью.

Верхняя граница биосферы обусловливается лучистой энергией, убивающей все живое, то есть естественной верхней границей является озоновый экран, расположенный на расстоянии около 16 км от поверхности Земли на полюсах и 25 км над экватором. Но лишь тонкий слой тропосфе-

12

ры (менее 100 м над Землей) можно считать наполненным жизнью (Нет ни одного организма, который всегда бы жил в воздушной среде).

Нижняя граница жизни в литосфере теоретически определяется высокой температуре. Температура 100 °С представляет непреодолимую преграду. Живые организмы в трещинах и нефтеносных скважинах могут встречаться на глубине до 3 км от земной поверхности. В морях предельная для жизни температура встречается на глубине около 10 км.

До Вернадского большинство процессов, меняющих в течение геологического времени лик планеты, рассматривались как чисто физические, химические или физико-химические явления (размыв, растворение, осаждение, гидролиз и др.). Вернадский впервые создал учение о геологической роли живых организмов, показал, что деятельность живых существ является главным фактором преобразования земной коры. Участие каждого отдельного организма в геологической жизни Земли ничтожно мало. Однако живых существ на Земле бесконечно много (~107 видов и ~1030 индивидуумов (1979). Они, обладая высоким потенциалом размножения, активно взаимодействуют со средой обитания и, в конечном счете, представляют в совокупности особый глобальный фактор развития, преобразующий верхние оболочки Земли. Воздух , во - да , нефть , уголь , известняки , глины , сланцы , мрамор и гранит созданы живыми веществами планеты !

С другой стороны, занимаясь созданной им биогеохимией, изучающей распределение химических элементов по поверхности планеты, Вернадский пришел к выводу, что нет практически ни одного элемента из таблицы Менделеева, который бы не включался бы в живое вещество.

2.1 Строение биосфеы

Биосфера, являясь глобальной экосистемой (экосферой) как и любая экосистема, состоит из биотической и абиотической частей.

Биотическая часть состоит из живых организмов таксонов, осуществляющих важнейшую функцию биосферы, без которой не может суще-

ствовать сама жизнь: биогенный ток атомов.

Абиотическая часть представлена:

1.Почвой и подстилающими ее породами до глубины, где еще есть живые организмы, вступающие в обмен с веществом этих пород, и физической средой порового пространства.

2.Атмосферным воздухом до высоты, на которой возможны еще проявления жизни.

3.Водной средой океанов, рек, озер и т. д.

Биосферу слагают три категории субстанций:

1. Живое вещество – совокупность всех живых организмов: микроорганизмы, растения и животные, их активная биомасса.

13

Под живым веществом В.И. Вернадский понимает все количество живых организмов планеты как единое целое. Его химический состав подтверждает единство природы – он состоит из тех же элементов, что и неживая природа, только соотношение этих элементов различное и строение молекул другое.

Общим свойством жизни является присутствие в живом веществе активных белковых молекул. С химической точки зрения, живое и биогенное вещество биосферы представлено спиртами, например, С2Н5ОН, жирными

частями нуклеиновых кислот, содержащихся в каждой клетке (дезоксирибонуклеиновые кислоты – ДНК – в ядре клетки и рибонуклеиновые – РНК – в цитоплазме). Из названных органических соединений образуются сложные молекулы углеводов, белков, жиров, и нуклеиновых кислот.

2. Биогенное вещество – мертвая органика, все формы детрита, а также биогенные горные породы, включая часть ископаемого топлива

Биогенными элементами называют растворимые элементы, жизненно необходимые организмам.

Макробиогенными элементами называют элементы, требующиеся организмам в сравнительно больших количествах.

Микробиогенными элементами называют элементы и их соединения, которые хотя и необходимы для жизнедеятельности биосистем, но требуются в крайне малых количествах. Для растений, например, наиболее важ-

ны 10 микроэлементов: Fe, Mn, Cu, Zn, B, Si, Mo, Cl, Co, V.

Для фотосинтеза необходимы: Fe, Mn, Cl, V. Для азотного обмена необходимы: Fe, Mо, В.

Для других метаболических функций необходимы: Mn, В, Co, Cu, Si. Все эти элементы кроме бора необходимы и животным, кроме того им

может требоваться Se, Cr, Ni, F, I, Sn.

Между макро- и микроэлементами нельзя провести четкую границу, так же как и между различными группами организмов.

14

3. Биокосное вещество – смеси живого вещества и биогенных веществ с минеральными породами небиогенного происхождения (почва, илы, природные воды, газо- и нефтеносные сланцы, битумные пески, часть осадочных пород; сюда же можно отнести и земную атмосферу).

Биогеохимические принципы Вернадского

1.Биогенная миграция химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению.

Этот принцип в наши дни нарушен человеком.

2.Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов.

Этот принцип при антропогенном измельчении средних размеров особей биоты земли (лес сменяется лугом, крупные животные мелкими) начинает действовать аномально интенсивно.

3.Живое вещество находится в непрерывном химическом обмене

сокружающей средой, создающейся и поддерживающейся не Земле космической энергией Солнца.

Вследствие нарушения двух первых принципов космические воздействия из поддерживающих биосферу могут превратиться в разрушающие ее факторы.

2.2 Функции живого вещества в биосфере

Газовая функция. Живые вещества постоянно обмениваются кислородом и углекислым газом с окружающей средой в процессе фотосинтеза и дыхания. Они строго контролируют концентрации О2 и СО2 оптимальные для всей современной биоты. Растения сыграли решающую роль в смене восстановительной среды на окислительную в геохимической эволюции планеты и формировании газового состава современной атмосферы.

Концентрационная функция. Пропуская через свое тело большие объемы воздуха минеральных и органических веществ, живые организмы осуществляют биогенную миграцию и концентрирование химических элементов и их соединений. Это относится не только к биосинтезу органики, но и к таким явлениям, как строительство раковин и скелетов, образование коралловых островов, толщ осадочных известняков, месторождений серы, некоторых металлических руд и др. Ранние этапы биологической эволюции проходили в водной среде и организмы научились извлекать из разбавленного раствора необходимые для них вещества, многократно увеличивая их концентрацию в своем теле.

Связывание и превращение солнечной энергии в энергию химических связей органических соединений. При сжигании, например, каменного угля высвобождается энергия, запасенная растительностью сотни миллионов лет назад.

15

Окислительно-восстановительная функция живого вещества тесно связана с биогенной миграцией элементов и концентрированием веществ. Многие вещества в природе устойчивы и не подвергаются окислению при обычных условиях, например, молекулярный азот – один из важнейших биогенных элементов. Но живые клетки располагают настолько эффективными катализаторами-ферментами, что способны осуществлять многие окислительно-восстановительные реакции в миллионы раз быстрее тех, что протекают в абиогенной среде.

Таким образом, основные функции биосферы – средообразующая и средорегулирующая.

Информационная функция живого вещества. Именно с появлением первых примитивных существ на планете появилась и активная («живая») информация, отличающаяся от той «мертвой» информации, которая является простым отражением структуры. Организмы оказались способными к получению информации путем соединения потока энергии с активной молекулярной структурой, играющей роль программы. Способность воспринимать, хранить и перерабатывать молекулярную информацию совершила опережающую эволюцию в природе и стала важнейшим экологическим системообразующим фактором (табл. 1).

Таблица 1

Сравнительный анализ информационной функции живого вещества и научно-технического прогресса

3 ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ЭКОЛОГИИ

3.1Основные законы экологии Б. Коммонера (1971)

1.Все связано со всем.

Вещество, энергия, информация и качество отдельных природных систем взаимосвязаны настолько, что любое изменение одного из этих факторов вызывает функциональные, структурные, качественные и количественные перемены всех систем и их иерархии.

16

2.Все должно куда-то деваться (следствие закона сохранения мас- сы и энергии).

Любая природная система может развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей среды. Абсолютно изолированное развитие не возможно.

Теоретические и практические следствия:

а) абсолютно безотходное производство невозможно (подобно созданию «вечного» двигателя). Реализуя это следствие, важно создавать малоотходные производства с малой ресурсоемкостью как на входе, так и на выходе. Идеальны циклические производства, когда отходы одних процессов служат сырьем для других, и организация захоронения неминуемых остатков, нейтрализация не устраняемых энергетических отходов;

б) любая развитая биотическая система, используя и видоизменяя среду жизни, представляет потенциальную угрозу менее организованным системам. Поэтому в биосфере невозможно повторное зарождение жизни – она будет уничтожена существующими организмами. Следовательно, воздействуя на среду обитания, человек должен нейтрализовать эти воздействия, поскольку они могут оказаться разрушительными для природы и самого человека.

3.Природа «знает» лучше.

Живая природа планеты несравненно совершеннее и умнее человеческой цивилизации, она более гармонична, эффективна и экономична, она гораздо лучше сбалансирована; потоки ее вещества и энергии регулируются с чрезвычайно высокой точностью.

Пока мы не имеем абсолютно достоверной информации о механизмах и функциях природы, мы легко можем навредить природе, пытаясь ее улучшить.

4. Ничто не дается даром, или За все надо платить.

Глобальная экосистема представляет собой единое целое, в рамках которого ничто не может быть объектом всеобщего улучшения; все, извлеченное в процессе человеческого труда, должно быть возмещено.

3.2Правила существования видов

–Правило взаимоприспособленности Мебиуса–Морозова.

Виды в биоценозе приспособлены друг к другу настолько, что их сообщество составляет внутреннее устойчивое, но не единое и взаимно увязанное системное целое.

– Закон соответствия условий среды генетической предопределенности организма.

Вид организма может существовать до тех пор, пока окружающая его природная среда соответствует его генетическим возможностям приспособления этого вида к ее колебаниям и изменениям.

17

Резкое изменение среды жизни может привести к тому, что генетические возможности вида окажутся недостаточным и для приспособления к новым условиям жизни.

– Принцип плотной упаковки Мак-Артура Виды в экосистеме используют возможности среды с минимальной

конкуренцией между собой и с максимальной биологической продуктивностью, при этом пространство заполняется с максимальной полнотой.

– Правило обязательности заполнения экологических ниш. Экологическая ниша – место в биогеоценозе, которое занимает вид, не

конкурируя с другими видами за источник энергии. Экологическая ниша есть совокупность всех факторов среды, в пределах которых возможно существование вида в природе. Обычно экологические ниши заняты одним видом.

Пустующая экологическая ниша всегда бывает естественно заполнена. Экологическая ниша как функциональное место вида в экосистеме позволяет форме, способной выработать новые приспособления, заполнить эту нишу.

Некоторые ученые считают, что подтверждением этого правила служит появление СПИДа. За 10 лет до его появления было предсказано, что появится гриппоподобный вирус с высоким процентом летального исхода. Основанием для этого послужило то, что победа над многими инфекционными заболеваниями человека высвободила экологические ниши, которые обязательно должны быть заполнены.

– Правило внутренней непротиворечивости.

В естественных экосистемах деятельность входящих в них видов направлена на поддержание этих экосистем как среды собственного обитания.

3.3Реакции экосистем на внешнее воздействие

–При внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется (Ле Шателье-Браун).

–Слабые воздействия могут и не вызывать ответных реакций природной системы, но накопившись, они приведут к развитию бурного, непредсказуемого динамического процесса – кумулятивный эффект (Х. Боумен).

–Явление, удаленное в пространстве и во времени, кажется (!) менее существенным (в природопользовании этот принцип особенно часто становится основой неверных практических действий).

–Глобальный предел устойчивости биосферы по отношению к воздействиям, нарушающим ее равновесие, составляет 1 %.

Закон лимитирующих факторов Ю. Либиха

Жизненные возможности лимитируются экологическими факторами, количество и качество которых близко к необходимому экосистеме минимуму, снижение их ведет к гибели организма или деструкции экосистемы.

18

Даже единственный фактор за пределами зоны своего оптимума приводит к стрессовому состоянию организма, а в пределе – к его гибели. Такой фактор называют лимитирующим. Лимитирующий фактор – фактор среды, выходящий за пределы выносливости организма. Лимитирующий фактор ограничивает любое проявление жизнедеятельности организма. С помощью лимитирующих факторов регулируется состояние организмов и экосистем.

Согласно закону минимума жизненные возможности организмов лимитируют те экологические факторы, количество и качество которых близки к необходимому организму или экосистеме минимуму.

Ни один из факторов не действует в одиночку. Конечные состояния экосистемы – это всегда результат многочисленных взаимодействий различных биотических и абиотических условий.

Графически закон лимитирующих факторов Либиха представлен на рисунке 4.

Рис. 4. Графическое изображение Закона лимитирующих факторов Либиха

Для каждого вида растений и животных существуют оптимум, стрессовые зоны и пределы устойчивости в отношении каждого фактора окружающей среды.

Оптимум – диапазон, например температур, благоприятный для жизни вида – зона оптимума. Любой экологический фактор имеет определенные пределы положительного влияния на живые организмы.

Зоны угнетения – стрессовые зоны – значение действующего фактора за пределами зоны оптимума до предела устойчивости, приводящее к стрессовому состоянию организма.

19

Предел толерантности (от лат. tolerantio – терпение) – предел устойчивости – диапазон экологического фактора между минимальным и максимальным значениями, в пределах которого возможна выживаемость организма.

Закон толерантности Шелфорда.

Существование вида определяется лимитирующими факторами, нахо-

дящимися не только в минимуме, но и в максимуме.

Закон толерантности расширяет закон минимума Либиха.

Закон действия факторов Тинемана.

Состав и структура экосистемы определяются тем фактором среды, который приближается к минимуму.

Закон действия факторов расширяет закон минимума Либиха на всю экосистему.

4 БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Чтобы жизнь продолжала существовать, химические элементы должны постоянно циркулировать из внешней среды в живые организмы и обратно, переходя из протоплазмы одних организмов в усвояемую для других организмов форму. Таким образом, перемещения и превращения веществ и элементов в природе под действием биологических и геологических факторов, сопровождающиеся перераспределением энергии, поступающей от Солнца, образуют биогеохимические циклы. Существование биогеохимических циклов создает возможность для саморегуляции системы, что придает экосистеме устойчивость – постоянство процентного состава различных элементов в ней (гомеостаз). Механизмы, обеспечивающие восстановление равновесия в круговороте, возвращение элементов в круговорот, во многих случаях основаны на биологических процессах. Вещества в круговоротах постоянно трансформируются, перестраиваются, обмениваясь атомами, а сами атомы остаются неизменными.

Выделяют большой или геологический (абиотический) круговорот веществ, в основе которого лежит процесс переноса минеральных соединений из одного места в другое в масштабах планеты. Около половины (!) падающей на Землю лучистой энергии расходуется на перемещение воздуха, выветривание горных пород, испарение воды, растворение минералов и т. д. Движение воды и ветра приводит к эрозии, транспорту, перераспределению, осаждению и накоплению механических и химических осадков на суше и в океане. В течение длительного времени образующиеся в море напластования могут возвращаться на сушу – и процессы возобновляются.

20