Экосистемы. Классификация и характеристика экосистем.
Экосистема (биоценоз) – исторически сложившаяся устойчивая совокупность популяций растений, животных, грибов и микроорганизмов, приспособленных к совместному обитанию на однородном участке территории или акватории. Термин «биоценоз» предложил немецкий зоолог К. Мебиус в 1877 г.
Составными частями биоценоза являются: 1) фитоценоз (устойчивое сообщество растений), 2) зооценоз (совокупность взаимосвязанных видов животных), 3) микоценоз (сообщество грибов), 4) микробоценоз (сообщество микроорганизмов).
Взаимосвязи в биоценозе определяются биотическими взаимоотношениями между живыми организмами, построенных прежде всего на пищевых связях. Пищевые связи образуют цепи и сети питания. По этим связям происходит круговорот энергии в биологических сообществах.
С целью получения продуктов питания человек искусственно создает агроэкосистемы. Они отличаются от естественных малой устойчивостью и стабильностью, однако более высокой продуктивностью.
Экологическая система, или экосистема – основная функциональная единица в экологии, так как в нее входят организмы и неживая среда – компоненты, взаимно влияющие на свойства друг друга, и необходимые условия для поддержания жизни в той ее форме, которая существует на Земле. Термин экосистема впервые был предложен в 1935 г. английским экологом А. Тенсли.
Сообщества организмов связаны с неорганической средой теснейшими материально-энергетическими связями. Растения могут существовать только за счет постоянного поступления в них углекислого газа, воды, кислорода, минеральных солей. Гетеротрофы живут за счет автотрофов, но нуждаются в поступлении таких неорганических соединений, как кислород и вода.
В любом конкретном месте обитания запасов неорганических соединений, необходимых для поддержания жизнедеятельности населяющих его организмов, хватило бы ненадолго, если бы эти запасы не возобновлялись. Возврат биогенных элементов в среду происходит как в течение жизни организмов, так и после их смерти, в результате разложения трупов и растительных остатков.
Структура и компоненты экосистем. Свойства экосистем.
Любую экосистему можно разделить на совокупность организмов и совокупность неживых (абиотических) факторов окружающей природной среды.
В свою очередь, экотоп состоит из климата во всех многообразных его проявлениях и геологической среды (почв и грунтов), называемой эдафотопом.
Экотоп – это то, откуда биоценоз черпает средства для существования и куда выделяет продукты жизнедеятельности. Структура живой части биогеоценоза определяется трофоэнергетическими связями и отношениями, в соответствии с которыми выделяют три главных функциональных компонента: 1) комплекс автотрофных организмов-продуцентов, обеспечивающих органическим веществом и энергией остальные организмы (фитоценоз), а также фото- и хемосинтезирующие бактерии; 2) комплекс гетеротрофных организмов-консументов, живущих за счет питательных веществ, созданных продуцентами; 3) комплекс организмов-редуцентов, разлагающих органические соединения до минерального состояния.
С точки зрения структуры в экосистеме выделяют: 1) климатический режим, определяющий температуру, влажность, режим освещения и прочие физические характеристики среды; 2) неорганические вещества, включающиеся в круговорот;
3) органические соединения, которые связывают биотическую и абиотическую части в круговороте вещества и энергии; 4) продуценты – организмы, создающие первичную продукцию; 5) макроконсументы – гетеротрофы, поедающие другие организмы или крупные частицы органического вещества; 6) микроконсументы – гетеротрофы, в основном грибы и бактерии, которые разрушают мёртвое органическое вещество, минерализуя его, тем самым возвращая в круговорот. Последние три компонента формируют биомассу экосистемы.
Компоненты экосистемы находятся в определенных взаимосвязях и взаимодействии, что и представляет собой структуру экосистемы. Структура связывает компоненты системы, предоставляя им общность и целостность.
Устойчивость взаимосвязей и взаимодействия компонентов, то есть структура, препятствует постоянном изменении компонентов, удерживая эти изменения в определенных пределах, и сохраняя экосистему от распада.
Взаимодействие компонентов в экосистеме. Биогеохимический круговорот веществ и энергии в биосфере. Тропические цепи и экологические пирамиды. Правило Линдемана.
С биологической точки зрения в составе экосистем выделяют следующие компоненты: 1) неорганические вещества (кислород, азот, углекислый газ, вода, углерод и др.), которые вступают в круговороты; 2) органические соединения (белки, углеводы и др.); 3) воздушная, водная и субстрактная среда, которая включает климатический режим и другие физические факторы; 4) изготовители – автотрофные (то есть питающихся самостоятельно) живые организмы, в основном зеленые растения, которые могут создавать биомассу из простых химических элементов путем фотосинтеза; 5) макроконсументы – гетеротрофные (те, что питаются не самостоятельно) организмы, в основном, это животные, питающиеся другими организмами или частицами органического вещества; 6) микроконсументы или редуценты – гетеротрофные организмы (бактерии, грибки), получающие энергию или при разложении мертвых тканей продуцентов, или макроконсументов, или путем поглощения растворенного органического вещества.
В функциональном плане выделяют следующие компоненты: 1) поток энергии,
2) круговороты вещества, 3) живые организмы, 4) управляющие цепи обратных связей,
5) информационные потоки.
Имеются два основных круговорота веществ: большой – геологический и малый – биогеохимический.
Большой геологический круговорот. Кристаллические горные породы (магматические) под воздействием физических, химических и биологических факторов преобразуются в осадочные породы. Песок и глина – типичные осадки, продукты преобразования глубинных пород. Однако формирование осадков происходит не только за счет разрушения уже существующих пород, но также и путем синтеза биогенных минералов – скелетов микроорганизмов – из природных ресурсов – вод океана, морей и озер. Рыхлые водянистые осадки по мере их изоляции на дне водоемов новыми порциями осадочного материала, погружения на глубину, попадания в новые термодинамические условия теряют воду, отвердевают, преобразуясь при
этом в осадочные горные породы.
В дальнейшем эти породы погружаются в ещё более глубокие горизонты, где и протекают процессы их глубинного преобразования к новым температурным и барическим условиям – происходят процессы метаморфизма.
Под воздействием потоков эндогенной энергии глубинные породы переплавляются, образуя магму – источник новых магматических пород. После поднятия этих пород на поверхность Земли, под действием процессов выветривания и переноса снова происходит их трансформация в новые осадочные породы.
Таким образом, большой круговорот обусловлен взаимодействием солнечной (экзогенной) энергии с глубинной (эндогенной) энергией Земли. Он перераспределяет вещества между биосферой и более глубокими горизонтами нашей планеты.
Малым круговоротом называется и круговорот воды между гидросферой, атмосферой и литосферой, который движется энергией Солнца. Вода испаряется с поверхности водоемов и суши, затем вновь поступает на Землю в виде осадков. Над океаном, испарение превышает осадки, над сушей, наоборот. Эти различия компенсируют речные стоки. В глобальном круговороте воды немаловажную роль играет растительность суши. Транспирация растений на отдельных участках земной поверхности может составить до 80-90% выпадающих здесь осадков, а в среднем по всем климатическим поясам – около 30%.
В отличие от энергии, которая однажды использовалась организмом, превращается в тепло и теряется, вещества в биосфере циркулируют, создавая биогеохимические круговороты. Круговороты элементов и веществ осуществляются за счет саморегулирующих процессов, в которых участвуют все составные части экосистем. Эти процессы являются безотходными. Существует закон глобального замыкания биогеохимического круговорота в биосфере, действующий на всех этапах ее развития. В процессе эволюции биосферы увеличивается роль биологического компонента в замыкании биогеохимического круговорота. Еще большее влияние на биогеохимический круговорот оказывает человек. Но его роль проявляется в противоположном направлении (круговороты становятся незамкнутыми). Основу биогеохимического круговорота веществ составляют энергия Солнца и хлорофилл зеленых растений. Другие наиболее важные круговороты – воды, углерода, азота, фосфора и серы – связаны с биогеохимическим и способствуют ему.
Трофическая цепь – цепь питания, взаимоотношения между организмами при переносе энергии пищи от ее источника (зеленого растения) через ряд организмов, происходящий путем поедания одних организмов другими из более высоких трофических уровней.
Выделяют 2 типа трофических цепей: пастбищные, или цепи выедания (основу автотрофные организмы, затем идут консументы) и детритные, или цепи разложения (начинаются от детрита, идут к микроорганизмам, а затем к детритофагам и их потребителям – хищникам). При переносе энергии от звена к звену, большая ее часть (до 80 – 90%) теряется в виде теплоты. Поэтому число звеньев в трофической цепи обычно не превышает 4 – 5. Чем длиннее трофическая цепь, тем меньше продукция ее последнего звена по отношению к продукции начального. Поскольку в состав пищи каждого типа входит обычно несколько видов, каждый из которых, в свою очередь, может служить пищей нескольким видам, трофического взаимоотношения видов в природе, точнее передаются термином трофическая сеть.
Экологические пирамиды – это графические модели (как правило, в виде треугольников), отражающие число особей (пирамида чисел), количество их биомассы (пирамида биомасс) или заключенной в них энергии (пирамида энергии) на каждом трофическом уровне и указывающие на понижение всех показателей с повышением трофического уровня.
Различают три типа экологических пирамид: 1) Пирамида чисел (численностей) отражает численность отдельных организмов на каждом уровне. В экологии, пирамида численностей используется редко, так как из-за большого количества особей, на каждом трофическом уровне, очень трудно отобразить структуру биоценоза в одном масштабе; 2) Пирамида биомасс - соотношение между продуцентами и консументами, выраженное в их массе. Обычно в наземных биоценозах общий вес продуцентов больше, чем консументов. Если организмы не слишком различаются по размерам, то на графике, как правило, получается ступенчатая пирамида с сужающейся верхушкой; 3) Пирамида энергии отражает величину потока энергии, скорость прохождения массы пищи через пищевую цепь. На структуру биоценоза, в большей степени, оказывает влияние не количество фиксированной энергии, а скорость продуцирования пищи.
Все экологические пирамиды строятся по одному правилу, а именно: в основании любой пирамиды находятся зеленые растения, а при построении пирамид, учитывается закономерное уменьшение от ее основания к вершине численности особей (пирамида чисел), их биомассы (пирамида биомасс) и проходящей через пищевые цепи энергии (пирамида энергии).
Правило Раймонда Линдемана точнее – закономерность в области биологии, установленная Раймондом Линдеманом, согласно которой только часть (примерно 10%) энергии, поступившей на определенный системный уровень, передаётся организмам, находящимся на более высоких уровнях. Хищники, питаясь растительноядными животными, получают 10% энергии, содержащиеся в биомассе всего ими съеденного. Обратный поток, связанный с потреблением веществ и продуцируемой верхним уровнем экологической пирамиды энергии более низкими её уровнями, например, от животных к растениям, намного слабее – не более 0,5% от общего её потока, и потому можно полагать, что круговоротаэнергии вбиоценозе не происходит.
5. Биосфера. Учение В. И. Вернадского о биосфере. Состав, функции, структура. Понятие о ноосфере.
Биосфера – область активной жизни, которая охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферу. Понятие “биосфера” было введено австрийским биологом Э. Зюсом в 1875 г.
Биосфера представляет собой сложнейшую планетарную оболочку жизни, населенную организмами, которые в совокупности составляют живое вещество. Это самая крупная (глобальная) экосистема Земли – область системного взаимодействия живого и косного вещества.
Относительно верхней границы существования жизни следует заметить, что ученые обычно проводят ее на высоте 20-25 км, где находится спасительный для всего живого, озоновый экран. Здесь та же ситуация с расселением организмов, что и в океане, только наоборот. Уже на высоте 8-9 км низкие температуры сильно ограничивают существование животных и растений.
Русский учёный В. И. Вернадский развил учение о биосфере, взаимодействии живой природы. Экологическая система обладает общими свойствами характерными для сложных систем: 1) элирджентность (неожиданно возникшие) – это такой тип существования, когда свойство системы зависит не только от свойств составляющих её элементах, но и от взаимодействия между компонентами. Это взаимодействие может быть изменено получением какой-либо информации, внешним воздействием, развитием болезни внутри системы и т.д.; 2) принципом необходимого разнообразия элементов – т.е. разнообразием элементов, входящих в систему является необходимым условием устойчивого функционирования системы; 3) устойчивостью – определяется соотношением сил внутреннего и внешнего взаимодействия при преобладании внешних сил, под внутренними системами разрушается или принимает другие свойства.
Функции живого вещества: а) энергетическая (поглощение энергии солнца, тепла земли и перераспределение этой энергии в биосфере); б) средообразующая (растения в процессе роста и размножения вырабатывают кислород, углекислый газ, метан); в) концентрационная (живые вещества собирают из окружающей среды
различныехимические элементы); г) деструктивная (поглощение солей из почвы, вовлечение их в биологический круговород); д) окислительно-восстановительная (изменяют валентность железа и марганца); е) транспортная (переносит вещества в вертикальном и горизонтальном направлениях).
Ноосфера – сфера взаимодействия общества и природы, в границах которой разумная человеческая деятельность становится определяющим фактором развития. Ноосфера – предположительно новая, высшая стадия эволюции биосферы, становление которой связано с развитием общества, оказывающего глубокое воздействие на природные процессы.
элементов в теле живых организмов в сотни и тысячи раз выше, чем во внешней среде. Этим объясняется неоднородность химического состава биосферы и ее существенное отличие от состава неживого вещества планеты;
4) Окислительно-восстановительная функция заключается в химическом превращении, главным образом, тех веществ, которые содержат атомы с переменной степенью окисления (соединения железа, марганца и др.). При этом на поверхности Земли преобладают биогенные процессы окисления и восстановления;
5) Деструктивная функция обусловливает процессы, связанные с разложением организмов после их смерти, вследствие которой происходит минерализация органического вещества, т. е. превращение живого вещества в косное. В результате образуются также биогенное и биокосное вещество биосферы;
6) Средообразующая функция заключается в преобразовании физико-химических параметров среды в результате процессов жизнедеятельности;
7) Транспортная функция – это осуществление переноса вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении. Живое вещество – единственный фактор, обусловливающий обратное перемещение вещества – снизу вверх, из океана – на континенты, реализующий тем самым "восходящую" ветвь биогеохимических циклов.
Экологические факторы среды. Классификация. Закон минимума Либиха, толерантности Шелфорда, постулаты Коммонера.
Любой организм в природе испытывает на себе воздействие самых разнообразных компонентов внешней среды. Любые свойства или компоненты окружающей среды, оказывающие влияние на организмы, называют экологическими факторами.
Факторы среды (экологические факторы) разнообразны, имеют разную природу и специфику действия. Выделяют следующие группы экологических факторов:
1) абиотические (факторы неживой природы): климатические – условия освещенности, температурный режим и т. п.; эдафические (местные) – водоснабжение, тип почвы, рельеф местности; 2) орографические – воздушные (ветер) и водные течения; 3) биотические – это все формы воздействия живых организмов друг на друга: Растения ↔ Растения, Растения ↔ Животные, Растения ↔ Грибы, Растения ↔ Микроорганизмы, Животные ↔ Животные, Животные ↔ Грибы, Животные ↔ Микроорганизмы, Грибы ↔ Грибы, Грибы ↔ Микроорганизмы, Микроорганизмы ↔ Микроорганизмы; 4) антропогенные – это все формы деятельности человеческого общества, приводящие к изменению среды обитания других видов или непосредственно сказывающиеся на их жизни. Воздействие этой группы экологических факторов стремительно возрастает из года в год.
Закон ограничивающего (лимитирующего) фактора, или Закон минимума
Либиха – наиболее значим для организма тот фактор, который более всего отклоняется от оптимального его значения. Именно от этого, минимально представленного в данный конкретный момент экологического фактора, зависит выживание организма. В другие отрезки времени ограничивающим могут быть другие факторы. Немецкий химик Юстус фон Либих (1803 – 1873) установил, что продуктивность культурных растений, зависит от того питательного вещества (минерального элемента), который представлен в почве наиболее слабо. По имени учёного названо образное представление этого закона – так называемая «бочка Либиха». Суть модели состоит в том, что вода при наполнении бочки начинает переливаться через наименьшую доску в бочке и длина остальных досок уже не имеет значения.
Закон толерантности Шелфорда. Лимитирующим фактором процветания организма, может быть как минимум, так и максимум экологического влияния, диапазон между которыми определяет степень выносливости (толерантности) организма к данному фактору. Любой фактор, находящийся в избытке или недостатке, ограничивает рост и развитие организмов и популяций.
Экологические законы (постулаты) Коммонера. Первый закон (Все связано со всем). Это закон об экосистемах и биосфере, обращающий внимание на всеобщую связь процессов и явлений в природе. Он призван предостеречь человека от необдуманного воздействия на отдельные части экосистем, что может привести к непредвиденным последствиям. Второй закон (Все должно куда-то деваться). Это закон о хозяйственной деятельности человека, отходы от которых неизбежны, и потому, необходимо думать как об уменьшении их количества, так и о последующем их использовании. Третий закон (Природа "знает" лучше). Это закон разумного, сознательного природопользования. Нельзя забывать, что человек – тоже биологический вид, что он – часть природы, а не ее властелин. Это означает, что нельзя пытаться покорить природу, а нужно сотрудничать с ней. Пока мы не имеем полной информации о механизмах и функциях природы, а без точного знания последствий преобразования природы недопустимы никакие ее "улучшения". Четвертый закон (Ничто не дается даром). Это закон рационального природопользования. "Глобальная экосистема представляет собой единое целое, в рамках которого ничего не может быть выиграно или потеряно и которая не может являться объектом всеобщего улучшения". Платить нужно энергией за дополнительную очистку отходов, удобрением – за повышение урожая, санаториями и лекарствами – за ухудшение здоровья человека и т д.
11. Природные ресурсы. Классификация. Природные ресурсы РБ.
Природные ресурсы – это те средства существования людей, которые не созданы их трудом, но находятся в природе.
Существует несколько классификаций природных ресурсов. Одна из них – по назначению, которая делится на четыре группы: 1) пищевые; 2) энергетические;
3) сырьевые; 4) экологические.
Наиболее интересна классификация ресурсов по исчерпаемости. Их делят на исчерпаемые и неисчерпаемые.
К неисчерпаемым ресурсам относятся три группы ресурсов: 1) космические – это солнечное излучение, энергия приливов и отливов и т.д.; 2) климатические – это атмосферный воздух, энергия ветра, атмосферные осадки и т.д.; 3) водные – это все запасы воды на Земле.
Исчерпаемые ресурсы делятся на: 1) невозобновимые – это ресурсы, скорость расходования которых намного порядков больше скорости возобновления;
2) относительно возобновимые – это ресурсы, скорость расходования которых на один - два порядка выше скорости возобновления. Здесь выделяется два типа ресурсов: почвы и лесные ресурсы; 3) возобновимые – это ресурсы, скорость возобновления которых близка к скорости расходования.
Минерально-сырьевые богатства Беларуси. В настоящее время разведано
4 тысячи месторождений минерального сырья. В которых имеется около 30 видов полезных ископаемых. Важнейшими из них являются: 1) калийные соли; 2) каменные соли; 3) строительные материалы; 4) руды; 5) подземные воды.
Горючие ископаемые: Нефть в Беларуси была открыта в 1964 году.
Торф находится во всех регионах Беларуси. Добыча падает. Используется в 2-х направлениях: 1) топливные брикеты; 2) как удобрение в сельском хозяйстве.
Имеются бурые угли и горючие сланцы, однако они пока не используются из-за их глубокого залегания.
Химическое сырье: Калийные соли. 60 % породы – сильвинит – идет в отходы, которые складируются около Солигорска. Запасы каменной соли в районе Мозыря. Там работает производство поваренной соли из каменной.
Ресурсы строительных материалов: Глина используется в двух направлениях: для выпуска кирпича, а лучшие сорта глины для выпуска керамической посуды. В Микашевичах работает комбинат не рудных материалов «Гранит».
Строительные материалы: щебень, гравий, песок.
Рудные материалы, полезные ископаемые: руды, пока используются мало, но в этих рудах содержатся в не значительных количествах редкие элементы – это золото, цирконий и цветные металлы.
Земельные ресурсы: сельскохозяйственные угодья составляют 46% территории.
Водные ресурсы: 11 тысяч озер. Построена Вилейско-Минская водная система для обеспечения города Минска водой (в 1984 году). Запасы подземных вод очень важны, а особенно минеральных. Из минеральных выявлено 17 источников минеральной воды там, где построены санатории.
Лес: 34 % территории страны.
Особо охраняемые территории. К ним относятся 4 вида территорий – заповедники, национальные парки, памятники природы и заказники. Последние два вида имеют местное значение, а первые два – государственное значение. Управляет ими – Управление делами Президента.