Введение

Экология (от греч. “ekos” – дом и “logos” – учение: “наука о доме, месте обитания”) – наука о взаимоотношении живых организмов с окружающей средой. В зависимости от объекта и угла зрения под которым он изучается бывают направления:

1. В зависимости от размерности объекта делят:

а) Аут-экология – взаимодействие организма и среды.

б) Популяционная экология - популяция и ее среда.

в) Синэкология – сообщество и среда.

г) Глобальная экология – изучает биосферу.

2. В зависимости от объекта: растений, животных, человека, промышленности и тд:

а) Экология человека – научная дисциплина изучающая взаимодействие человека со средой обитания.

б) Промышленная экология – научная дисциплина занимающаяся принципами создания экологически чистых технологий.

Учение о биосфере

В первые понятие “биосфера” введено в науку в 19 в. французским ученым Ламарком, но основы науки были разработаны русским ученым Вернадским (1863-1945 гг.). Согласно учению Вернадского биосфера представляет собой оболочку Земли включающую как область распространения живого вещества, так и само это вещество. Вещество биосферы состоит из 7 компонентов:

1) Живое вещество – совокупность всех живых организмов на планете: растения, животные и т.д.

2) Биогенное вещество – вещество создаваемое и перерабатываемое живыми организмами на протяжении биологической истории: уголь, нефть и т.д.

3) Косное вещество (твердое, жидкое, газообразное) – вещества неорганического происхождения, образующиеся в процессах в которых живое вещество не участвует.

4) Биокосное вещество – вещество создаваемое одновременно в процессе жизнедеятельности живых организмов и неорганической природы, живые организмы играют ведущую роль (вода биосфера, почвы, илы и т.д.).

5) Вещество, находящееся в процессе радиоактивного распада.

6) Рассеянные атомы непрерывно образующегося из различных видов земного вещества под влиянием космического излучения.

7) Вещество космического происхождения: пыль, остатки метеоритов и т.д.

5 Основ функции живого вещества:

1) Энергетическая – выполняется растениями, в основе - фотосинтез.

2) Газовая – обеспечивает газовый состав биосферы.

3) Концентрационная – живые организмы могут служить для человека источником как полезных веществ (витамины, аминокислоты), так и опасных для здоровья (тяжелые металлы, ядохимикаты).

4) Деструктивная – процессы разложения мертвой органики, химически разрушают горные породы.

5) Средообразующая – состоит в трансформации химических параметров среды в условии благоприятные для существования организмов, обеспечение газового состава атмосферы, химического состава гидросферы, литосферы.

Появление человека привело к тому, что биосфера начинает преобразовываться и подвергаться активному вмешательству человека. В настоящее время в отличии от первичной биосферы выделяется новое состояние природы – биотехносфера, для нее характерны:

1. некоторые отклонения от газовых параметров атмосферы,

2. изменение в гидросфере,

3. непрерывно возрастающее потребление ресурсов привело к их истощению,

4. загрязнение природной среды отходами хозяйственной деятельности человека.

Очевидно, что нужно так управлять процессами между человеком и биосферой, чтобы они были взаимовыгодными. Вернадский полагает, что в настоящее время человечество должно создать новую оболочку Земли – ноосферу (разумную оболочку) – закономерный этап развития биосферы, этап регулирования, разумного взаимодействия человека и природы.

Строение биосферы

- включает в себя нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхние слои литосферы. Границы этих элементов биосферы определяются условиями, при которых возможно существование живых организмов. Нижней границы биосферы опускаются на 2-3 км от поверхности на суши и на 1-2 км ниже дна океана. Верхней границей биосферы служит защитный озоновый слой с максимальной плотностью на высоте 20-25 км. Выше которого ультрафиолетовое излучение исключает существование жизни. Протяженность биосферы по вертикали 33-35 км. В пределах биосферы выделяется биогеосфера – пленка жизни – своеобразная оболочка Земли где сконцентрировано практически все живое вещество. Она располагается на границе поверхностного слоя земной коры с атмосферой и верхней частью водной оболочки Земли. Толщина биогеосферы колеблется от нескольких метров в степях и пустынях, до сотен метров в горах и морях.

Атмосфера – газовая оболочка Земли, массой 5,9*10¹⁵ тонн. Состоит из тропосферы, стратосферы, мезосферы, ионосферы, между которыми располагаются переходные зоны.

Тропосфера. На ее долю приходится ¾ всей земной атмосферы. Толщина ее 7-18 км. Температура воздуха по высоте уменьшается примерно на 0,6⁰ на каждые 100 метров, колеблется примерно от +40⁰ до -50⁰ С.

Стратосфера. Протяженность примерно 40 км. Температура воздуха на высоте 20-30 км постоянно около -50⁰С, затем начинает повышаться и на высоте 50 км достигает -10⁰С. В пределах стратосферы имеется озоновый слой. Высота его у полюсов примерно 7-8 км, у экватора 17-18 км. Максимальная высота присутствия озона 45-45 км. Озоносфера в следствии большого содержания озона поглощает ультрафиолетовые лучи, что и обуславливает повышение температуры.

Мезосфера. Количество озона уменьшается, средняя температура порядка -80⁰С.

Ионосфера. С увеличением высоты температуры увеличивается и на высоте 500-600 км примерно составляет 1600⁰С.

Экзосфера. Высота 800 км, еще обнаруживается газы атмосферы в атомарном состоянии. Силы притяжения Земли недостаточны для удержания материальных частиц, которые рассеиваются в космосе.

Химический состав воздуха до 100 км практически неизменен и состоит: 78,1% азота, 20,9% кислорода, 0,93% аргона, 0,03% диоксида углерода. Выше 600 км в атмосфере преобладает гелий, а выше 2000-3000 км - водород.

Гидросфера – водная оболочка, включает совокупность поверхностных вод, воду в литосфере и атмосфере. Основная часть поверхностных вод в мировом океане, занимающие 71% поверхности Земли и включает примерно 96% всей воды. Доля пресных вод – 2,5%, однако 70% этой воды в ледниках. Вода в атмосфере главным образом - водяной пар и его конденсат.

Свободные воды гидросферы по вертикали делятся на 2 зоны. Верхняя зона эуфотическая – определяется глубиной проникновения солнечного света примерно 200 м. В этой зоне протекает деятельность фотосинтезирующих организмов. Афотическая зона – не протекает солнечный свет, обитают живые организмы использующие готовые органические вещества, которые синтезировали организмы эуфотической зоны.

Литосфера – внешняя прочная оболочка Земли, включает земную кору и верхнюю часть мантии Земли. Жизнь в литосфере концентрируется в почве. Соотношение 3х фаз в почве: твердых минеральных веществ, жидкости, воды – определяющих основ физических свойств почвы как среды обитания живых организмов.

Круговорот веществ в биосфере

Круговорот веществ и превращение энергии обеспечивает равновесие и устойчивость биосферы как в целом, так и ее частей. Рассмотрим циклы наиболее важных элементов.

Углерод. Круговорот осуществляется по большому и малому циклу. Большой – биологически длится миллионы лет в течении которых органическое вещество, те отходы и остатки растений накапливаются в литосфере. Под действием высоких температур, давлений превращается в уголь, нефть, газ. Добывая их, человек сжигает, насыщая атмосферу углекислым газом, завершая, таким образом круговорот углерода. Малый круговорот происходит в результате поглощения углекислого газа из атмосферы растениями. Затем в процессе фотосинтеза, атом углерода переходит в состав глюкозы и другие вещества и по живым цепям переходит к животным.

6CO₂+6H₂O=C₆H₁₂O₆+6O₂ – фотосинтез

В процессе дыхания органическое вещество расщепляется вновь в СО₂ и углерод возвращается в атмосферу:

C₆H₁₂O₆+6О₂=6СО₂+6Н₂О+Q – дыхание

Жизнь на Земле поддерживается относительно небольшим количеством углерода. В настоящее время происходит нарушение круговорота углерода из-за деятельности человека. В результате роста использования ресурсов увеличивается поступление СО2 в атмосферу. Наблюдается повышение его концентрации и растения не справляются с его поглощением. В результате изменяется климат на планете.

Кислород. Вся масса свободного О₂ химически возникла и сохраняется благодаря жизнедеятельности зеленых растений суши и мирового океана, поскольку является побочным продуктом реакции фотосинтеза. Скорость оборота О₂ через процесс фотосинтеза примерно 2000 лет. В настоящее время в атмосфере примерно 1,2*10¹⁵ тонн О₂. В результате фотосинтеза образуется ежегодно 2,5*10¹¹ тонн О₂. Почти все это количество используется в процессе дыхания гетеротрофных организмов. Значительная часть О₂ откладывается в земной коре в виде оксидов. Другой источник О₂ – процесс – процесс фотодиссоциации молекул воды, образуется примерно 2*10¹⁰ тонн, приводит к тому что в некоторых странах О₂ сжигается больше чем образуется – нарушение баланса О₂ в атмосфере, что так же может иметь серьезные экологические последствия.

Азот. 78% азота находится в воздухе. Некоторая часть в почве и воздухе, часть в белках и аминокислотах. В отличии от углерода растения не могут усваивать атмосферный азот, а могут усваивать в виде ионов NH₄⁺, NO₃^-. Усвоение азота происходит с помощью бактерий живущих на клубнях бобовых растений, они превращают атмосферный азот в аммонийную форму NH₄ (амонофицирующие бактерии) и в нитратную форму NH₃ (нитрофицирующие бактерии). В таких формах азот передается растениями и другими организмами. Часть атмосферного азота окисляется при грозовых разрядах (в десятки раз меньше чем это происходит при помощи бактерий). По пищевым цепям азот попадает в почву и вновь поглощается растениями.

Азот возвращается в атмосферу с помощью денитрифицирующих бактерий.

Большой круг: бактерии – почва - атмосфера.

Малый круг: растения – животные – почва.

Круговорот азота в атмосфере процесс медленный, примерно 10⁷ лет. Люди нарушают круговорот азота, так как научились фиксировать азот в виде минеральных удобрений и вносят в почву. Наблюдается избыток азота в почве и в водоемах. Об этом говорит увеличение азота в виде нитратов в продуктах питания. В водоемах азот способствует быстрому росту растений и к зарастанию водоемов.

Фосфор. Минеральный фосфор достаточно редкий элемент в биосфере. В земной коре его менее 1%. В основном в виде фосфатов. Он вовлекается в круговорот путем растворения в воде с образованием РО₄^3-. Растения поглощают фосфор из воды и затем по пищевым цепям он переходит к животным. Далее органические фосфаты в составе трупов и отходов переходит в почву.

Малый круг: растения - животные – почва.

Большой круг: литосфера – вода – растения – животные – почва – растения – почва.

В отличии от азота и углерода в круговороте фосфора отсутствует газовая фаза. На суше круговорот фосфора идет практически без потерь. Попадая в водоемы фосфор откладывается в донных отложениях и дальнейшее разложение идет медленно из-за недостатка кислорода. В воде фосфор образует с железом нерастворимые соединения, выпадает в осадок и становится недоступным растениям и организмам. Верхний слой воды оказывается обедненным, что ограничивает рост растений. Возврат фосфора возможен только при сезонном перемешивании и в результате геологических процессов. Ежегодный вынос фосфора в океан 10⁷ тонн, обратно 10⁵ тонн. Даже искусственное внесений фосфора с удобрениями неспособно компенсировать его потерю. Усвоение фосфора растениями сильно зависит от кислотности почвы. В кислых почвах фосфор взаимодействует в железом, алюминием, марганцем и становится недоступным для растений. Что бы этого избежать почву известкуют.

Сера. Содержание серы в живых организмах незначительно, но она входит в состав белка тем самым играет большую роль в протекании биохимических процессов. Источником серы в геологическом прошлом служили продукты извержений вулканов. Содержащие диоксид серы (SO₂) и сероводород растения усваивают серу в виде сульфатов из воды и включают ее в состав белков. Животные получают серу входящую в состав готовых органических соединений с пищей. Круговорот серы так же находится под влиянием антропогенной деятельности. В органическом топливе всегда в малом количестве содержится сера. При сжигании которого она превращается в диоксид серы, те в токсичное вещество. Диоксид серы (SO2) подавляет процесс фотосинтеза, а при взаимодействии с водой образовывает сернистую кислоту, увеличивая кислотность осадков. Антропогенный источник серы в атмосфере составляет 12,5% от общего содержания.

Вода. Круговорот происходит по следующей схеме. Вода испаряется в атмосферу с водных поверхностей, из почвы, и путем транспирации (испарения с листьев растений). Поднимаясь в атмосферу и охлаждаясь водяной пар конденсируется, образуя атмосферную влагу, переносимую воздушными массами, и выпадает на землю в виде дождя или снега.

Знание круговорота веществ в природе имеет большой смысл, так как вещества находятся под влиянием человека и сами влияют на него. Последствия стали сравнимы с результатом геологических последствий. Возникают новые пути миграции веществ, появляются новые химические соединения, существенно изменяется скорость и оборот веществ в биосфере.

Экосистема. Структура экосистемы.

Экосистема – совокупность продуцентов, консументов и детритофагов взаимодействующих друг с другом и с окружающих их средой посредством непосредственного обмена веществом, энергией и информацией таким образом, что эта единая система сохраняет устойчивость в течении продолжительного времени. Таким образом, для существования экосистемы характерны 3 признака:

1. Экосистема обязательно представляет собой совокупность живых и неживых компонентов.

2. В рамках экосистемы осуществляется полный цикл начиная с создания органического вещества и заканчивая его разложением на неорганические составляющие.

3. Экосистема сохраняет устойчивость в течении некоторого времени, что обеспечивается определенной структурой в биологических и абиотических компонентах.

Примером природной экосистемы является: озеро, лес, тундра, океан, биосфера.

Продуценты – в основном зеленые растения осуществляющие фотосинтез, те поглощение воды и диоксида углерода в глюкозу и кислород. Для этого процесса необходима световая энергия Солнца. Из сахаров и минеральных элементов питания биогенов получаемых из воды и почвы растения синтезируют все сложные вещества входящие в состав организмов. Молекулы с помощью которых они улавливают световую энергию необходимую для фотосинтеза являются хлорофиллы с зеленой окраской. Таким образом роль продуцентов заключается в том, что используя световую энергию из простых неорганических веществ продуцируют сложные вещества: через глюкозу образуют белки и углероды. Животные питаясь растениями используют их как источник энергии и материал для формирования своего тела.

Консументы – самые разнообразные организмы: черви, рыбы, насекомые, человек и т.д. Животные питающиеся продуцентами (травоядные или фитофаги или консументы 1-го рода). Вторичные консументы питаются первичными. Консументы 2-го рода и т.д. – плотоядные. Бывают консументы 4-го и далее порядка. Некоторые виды животных соответствуют нескольким таким уровням (человек – овощи – 1й; мясо – 2й; рыбу – 3й).

Детритофаги – мертвые растительные и животные остатки – дедрито. Существует множество организмов питающихся ими. Такие консументы называются детритофагами: грифы, черви, раки, термиты и т.д.

Редуценты – значительная часть дедрито в экосистеме: опавшие листья и древесина в своем исходном виде не поедается животными, а гниет и разлагается в процессе жизнедеятельности грибов и растений, т.к. грибы и бактерии столь специфичны, их обычно выделяют в особую подгруппу детритофагов и называют редуценты.

Типы взаимоотношений между различными категориями организмов в экосистеме

1. Пищевые – являются важнейшими между организмами. Можно проследить бесчисленные пути движения вещества в экосистеме, при которых один организм поедается другими и т.д. Ряд таких звеньев называется пищевой цепью. Продуценты, консументы, детритофаги – разные звенья этой цепи называемой пищевой или трофической.

2. Мутуалистические – под этим видом взаимоотношений понимают, что один из видов извлекает выгоду, а другому наносится вред. Однако существует не мало случаев когда виды вступают во взаимовыгодные отношения (мутуализм). Классический пример: цветок и насекомое.

3. Конкурентные – растущие бок о бок растения должны конкурировать между собой за воду, биогены, свет и пространство. Конкуренция между растениями различного типа может существенным образом отражаться на характере экосистемы в целом. В стабильной экосистеме животные если конкурируют то редко, конкуренция сводится к минимуму счет того, что разные виды животных приспособлены к питанию разной пищей в разных местах в разное время.

Абиотические факторы

- химические и физические факторы среды. Все факторы действуют на организм одновременно. Степень присутствия или отсутствия каждого из них существенно отражается на жизнеспособности организмов, но не одинаково для разных видов, что существенно влияет на экосистему в целом. На пример: некоторые растения предпочитают влажную почву, а некоторые сухую.

Воздействие абиотических факторов на примере температуры:

8-18 – зона усиливающегося стресса,

8-38 – диапазон устойчивости (толерантности),

8-28 – зона оптимума.

Результаты показывают, что по мере повышения температуры от некоторой точки до которой рост невозможен, растения развиваются все лучше и лучше и достигает максимального уровня. Затем при дальнейшем превышении температуры (28-38) растение будет себя чувствовать все хуже и хуже, появляются нарушения и оно погибает. Температура, при которой наблюдается максимальный рост (18-28) – зона оптимума. Весь интервал температуры, когда возможен рост, называется диапазоном устойчивости (толерантности). Точки, ограничивающие его - предел устойчивости. Подобные эксперименты были проведены и для других абиотических факторов. Результаты аналогичные. Это позволило сформулировать фундаментальный биологический принцип. Для каждого вида растений и животных существует оптимум, стрессовые зоны и пределы устойчивости в отношении каждого фактора среды. Лабораторные исследования позволили сделать еще один вывод, т.к. в ходе исследования менялся один фактор, а остальные оставались в зоне оптимума, то, следовательно, наблюдали действие закона лимитирующих факторов, а именно даже единственный фактор за пределами своего оптимума приводит к стрессовому состоянию, а за пределом устойчивости к гибели. Такие факторы лимитирующие. Это относится к любому влияющему на рост параметру, которого слишком много или слишком мало. Так стресс и гибель растения вызывают как чрезмерный полив и избыток удобрений, так и их недостаток. И так, в своем развитии любой организм ограничен минимальным количеством какого-либо компонента для жизнедеятельности и добавление другого компонента не заменит недостаток лимитирующего.

Экосистемы человека

Формирование и развитие

Первобытные люди жили мелкими племенами охотников – собирателей, охотясь на животных и собирая различную пищу, и покидали территорию по мере истощения пищи. Такие охотники-собиратели ничем не отличались от других всеядных консументов естественных экосистем. Однако примерно 10000 лет назад произошло важное событие – появилось сельское хозяйство. Люди стали создавать свою собственную экосистему, отличную от естественной. У человека появилась возможность обеспечивать себя пищей, человек научился производит продовольствие, бороться с хищниками, строить жилище. Таким образом избавление от природных лимитирующих факторов (пища, вода, хищники) позволило человеческой экосистеме вырасти и распространятся по всей земле. Этот процесс продолжается до сих пор.

Сейчас наша экосистема находится на стадии быстрого роста, но мы не в состоянии изменить закон лимитирующих факторов и избежать его воздействия. Когда запасы воды, почвы истощаться, неизбежно возникнут социальные войны, голод, разрушение цивилизации. Земля снова станет необитаема.

Экологические пирамиды

Графически структуру экосистемы представляют в виде экологической пирамиды (пирамида Элтона). Также существуют пирамиды чисел, биомасс, энергий. Пирамида чисел представляет собой первое приближение к изучению трофической структуры. Установлено основное правило, согласно которому, в любой среде растений больше чем животных, травоядных больше чем плотоядных, насекомых больше чем птиц. Можно констатировать, что при переходе одного трофического уровня к другому число особей уменьшается, а размеры из увеличиваются.

Пирамида биомасс более полно отображает пищевые взаимоотношения, тк она показывает биомассу в данный момент времени, на каждом уровне пищевой цепи.

Пирамида энергии показывает эффективность преобразования энергии и продуктивность пищевых цепей. Она стремится путем подсчета количества энергии аккумулированной единицей поверхности и за единицу времени, и которое используется организмом на каждом трофическом уровне. Расчет теоретической экосистемы сведенный к одной элементарной пищевой цепи провел американец Одум. Исходная продукция люцерна посеянная на 4 га. Люцерной можно прокормить 4-5 телят, которыми питается 12-летний мальчик.

Расчеты проведенные на основе этих показателей свидетельствуют о том, что эффективность всех 3х уровней невысокая. Так люцерна использует 0,24% всей солнечной энергии, телята 8% и только 0,7% энергии накопленной телятами приходится на рост и развитие мальчика. Очевидно, что для мальчика достаточно 1/10⁶ части всей солнечной энергии, которая поступает на 1 га занятой люцерной в поле. Таким образом КПД при переходе от одного звена пирамиды ее вершины значительно уменьшается. Это всеобщее явление: зеленые растения используют 0,1-1,2% солнечной энергии, фитофаги 3-10%, консументы 2-го порядка от 2-12%.

Нельзя не принимать во внимание то, что существенная часть энергии расходуется на удовлетворение энергетических потребностей организма. Следует отметить, что биомасса выпавшая из цепи питания не теряется для экосистемы, она служит основой других цепей питания.