Конспект по экологии
Экология – наука, изучающая условия существования живых организмов и взаимоотношения между организмами и средой их обитания.
Термин «экология» был впервые введён в биологическую науку немецким учёным Эрнстом Геккелем в 1866 г. Изначально экология развивалась как составная часть биологической науки.
Объект изучения экологии – экосистемы, то есть единые природные комплексы, образованные живыми организмами и средой обитания.
Предмет изучения – совокупность и структура связей между организмами и средой в экосистемах разных уровней.
Взаимосвязь экологии с другими науками
Первый этап – зарождение и становление экологии как науки (до 60-х годов XIX в.). Накапливаются данные о взаимосвязи живых организмов со средой их обитания, делаются первые научные обобщения.
На этом этапе в XVII–XVIII вв. многие естествоиспытатели использовали в своих биологических описаниях элементы экологического подхода. В том числе, Антуан Реомюр, Авраам Трамбле, Жоржа Бюффона, Карла Линнея, русских ученых Степана Петровича Крашенинникова, Александра Фёдоровича Миддендорфа, Ивана Ивановича Лепёхина.
|
|
В этот же период Жан Батист Ламарк и Томас Мальтус впервые предупреждают человечество о возможных негативных последствиях воздействия человека на природу.
Второй этап – оформление экологии в самостоятельную отрасль знаний (с 60-х гг. XIX в. до 50-х гг. XX в.).
Карл Францевич Рулье, Николай Алексеевич Северцов, Василий Васильевич Докучаев – обосновывают ряд принципов и понятий экологии.
Карл Мёбиус вводит понятие о биоценозе, как о закономерном сочетании организмов в определённых условиях среды.
Чарльз Дарвин раскрывает основные факторы эволюции органического мира, вводит понятие борьбы за существование.
Эрнст Геккель вводит понятие экологии.
Владимир Иванович Вернадский создаёт учение о биосфере.
Александр Тенсли выдвигает понятие об экосистеме.
Владимир Николаевич Сукачев обосновывает понятие о биогеоценозе.
Большой вклад в науку на этом этапе внесли также Виктор Шелфорд, Эрвин Симонович Бауэр, Владимир Николаевич Беклемишев, Александр Николаевич Формозов, Даниил Николаевич Кашкаров.
Третий этап – превращение экологии в комплексную науку, включающую в себя науки об охране окружающей среды (с 50-х гг. XX в. до настоящего времени).
Методы экологии
Задачи экологии
Теоретические:
– разработка общей теории устойчивости экологических систем;
– изучение экологических механизмов адаптации к среде;
– исследование регуляции численности популяций;
– изучение биологического разнообразия и механизмов его поддержания;
|
|
– исследование продукционных процессов;
– моделирование состояния экосистем и глобальных биосферных процессов;
Прикладные:
– прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий в окружающей среде под влиянием деятельности человека;
– улучшение качества окружающей среды;
– оптимизация инженерных, экономических, организационно-правовых, социальных или иных решений для обеспечения экологически безопасного устойчивого развития в экологически неблагополучных районах.
В экологии применяются все общенаучные методы. Однако имеются и некоторые специальные методы и методики исследования:
– экспериментальные методы,
– математическое моделирование,
– экологический мониторинг,
– методы количественного учёта,
– статистические методы,
– прогнозирование.
Также применяются методы наук, тесно связанных с экологией (биологии, географии, медицины, экономики и т.д.)
Структура экологической науки
I. Общая экология (теоретическая экология, биоэкология) – изучает общие закономерности взаимоотношений любых живых организмов (включая человека) и среды. Включает разделы:
1. аутэкология – исследует индивидуальные связи отдельного организма (вида, особи) с окружающей его средой;
2. популяционная экология – изучает структуру и динамику популяций отдельных видов;
3. биоценология – изучает взаимоотношение популяций, сообществ и экосистем со средой.
4. эволюционная экология – изучает развитие взаимоотношений организмов со средой обитания
II. Геоэкология – изучает распространение организмов по поверхности Земли (по материкам, океанам, природным зонам и т. д.).
III. Социальная экология – изучает взаимоотношения в системе «человеческое общество – природа».
1. экология человека – изучает взаимодействие человека как биосоциального существа с окружающим миром.
IV. Прикладная экология – изучает механизмы разрушения окружающей среды человеком и способы предотвращения этого процесса.
V. Глобальная экология – изучает биосферу, как глобальную экосистему и экологические проблемы планеты Земля.
Курс «Экология» входит в естественно-научный цикл федерального компонента учебного плана направления «Безопасность жизнедеятельности» и решает задачи знакомства студентов с основами и современными достижениями науки «Экология». Курс предполагает изучение следующих разделов и тем:
1. Биоэкология
2. Экология и здоровье человека
3. Глобальные проблемы окружающей среды
4. Экологические принципы рационального природопользования и охраны природы
5. Охрана окружающей среды
6. Организационно-правовые меры обеспечения устойчивого развития
7. Устойчивое развитии. Международное сотрудничество в области охраны окружающей среды
Биосфера – это живая оболочка Земли, самая большая экосистема, охватывающая всю поверхность планеты. В отличие от других оболочек Земли (атмосферы, гидросферы, литосферы) она состоит из живых организмов, обладающих уникальными по сравнению с костным веществом свойствами. Впервые роль живого вещества на Земле определил великий русский ученый В.И. Вернадский (1863 – 1945), он создал учение о биосфере.
Суть учения о биосфере в том, что живое вещество в процессе жизнедеятельности (размножение, рост, обмен веществ) за миллиарды лет полностью преобразовали эту часть нашей планеты. В химический состав живых организмов входят те же самые атомы, которые составляют неживую природу, но в ином соотношении. В ходе обмена веществ живые существа постоянно перераспределяют химические элементы в природе. За миллионы лет фотосинтезирующие организмы связали и превратили в химическую работу огромное количество солнечной энергии. Часть ее запасов накопилась в виде залежей угля, нефти, торфа. За счет фотосинтеза накоплен кислород атмосферы, образовался озоновый экран, Углекислый газ атмосферы выделяется в процессе дыхания живых организмов и сжигания топлива. Атмосферный азот тоже следствие деятельности живых организмов (почвенных бактерий). Организмы обладают способностью избирательно поглощать и накапливать в себе отдельные элементы в гораздо большем количестве, чем они есть в окружающей среде. Живые организмы создают в биосфере круговороты важнейших биогенных элементов (углерод, азот, кислород, фосфор, сера), которые переходят из живого вещества в неорганическую материю и обратно.
|
|
Жизнь существует миллиарды лет. Неорганическое вещество постоянно потребляется из окружающей среды. Но оно снова поступает в окружающую среду и не заканчивается, т.к. вовлекается в круговорот живыми организмами. Питание, дыхание, размножение организмов и связанные с ними процессы создания, накопления, распада органического вещества обеспечивают постоянный круговорот вещества и энергии на Земле.
Основных круговоротов веществ на Земле два: большой (геологический) и малый (биогеохимический). Геологический круговорот обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли. Осадочные породы в подвижных зонах Земли погружаются в зону высоких температур и давления. Там они переплавляются, образуют магму – источник новых магматических пород. После поднятия этих пород не земную поверхность и действия процессов выветривания вновь происходит трансформация их в новые осадочные породы. Новый цикл круговорота не повторяет старый, а вносит что-то новое, происходят изменения в облике Земли.
Биогеохимический круговорот веществ – это повторяющиеся взаимосвязанные физические, химические и биологические процессы превращения и перемещения вещества в природе. Живые организмы создают в биосфере круговороты важнейших биогенных элементов (углерод, азот, кислород, фосфор, сера), которые переходят из живого вещества в неорганическую материю и обратно.
|
|
Движущими силами биогеохимического круговорота веществ служат энергия Солнца и деятельность живого вещества. В результате происходит перемещение огромных масс химических элементов, концентрация и перераспределение аккумулированной в процессе фотосинтеза энергии.
Весь живой мир получает необходимую энергию из органических веществ, созданных фотосинтезирующими растениями или хемосинтезирующими микроорганизмами. Основной канал передачи энергии – пищевая цепь от продуцентов (растений) к консументам (животным) и редуцентам (микроорганизмы).
При каждом очередном переносе с одного трофического уровня на другой большая часть энергии (до 90%) теряется в виде тепла. Это ограничивает число звеньев – чем короче цепь, тем больше количество доступной энергии.
Таким образом, жизнь на планете осуществляется как постоянный круговорот веществ, поддерживаемый потоком солнечной энергии.
Живое вещество выполняет важнейшие функции на Земле:
Энергетическую (передача энергии по цепям питания), транспортную (перенос вещества и энергии), деструктивную (разрушение организмами остатков органического вещества и косных веществ), концентрационную (способность живых организмов концентрировать в своем организме химические элементы), газовую (способность поддерживать газовый состав атмосферы), окислительно-восстановительную (интенсификация процессов окисления благодаря обогащению среды кислородом и восстановления при дефиците кислорода), средообразующую преобразование физико-химических параметров среды.
Биосфера охватывает всю поверхность суши, моря и океаны, а также проникает в недра Земли. Верхней границей биосферы является озоновый экран на границе тропосферы и стратосферы в атмосфере. Озоновый экран не пропускает губительные для живых организмов ультрафиолетовые лучи Солнца. Нижняя граница биосферы неопределенная, охватывает несколько метров (почвенный слой), по трещинам может проникать на сотни метров и даже до 3 км (бактерии в нефтяных месторождениях)
Биосфера, являясь глобальной экосистемой, состоит из абиотической и биотической частей.
1. Абиотическая часть представлена:
а) почвой и подстилающими ее породами до глубины, где в них еще есть живые организмы, вступающие в обмен с веществом этих пород и физической средой порового пространства;
б) атмосферным воздухом до высот, на которых возможны еще проявления жизни;
в) водной средой океанов, рек, озер и т. п.
2. Биотическая часть состоит из живых организмов всех видов.
Живые организмы осуществляют биогенный ток атомов, благодаря своему дыханию, питанию и размножению, обеспечивая обмен веществом между всеми частями биосферы.
В основе биогенной миграции в биосфере лежат два биохимических принципа:
– стремиться к максимальному проявлению, к «всюдности» жизни;
– обеспечить выживание организмов, что увеличивает саму биогенную миграцию.
Выделяют два основных круговорота веществ в природе:
1. Большой (геологический),
2. Малый (биогеохимический).
Большой круговорот веществ в природе (геологический). Геологический круговорот обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли.
Осадочные горные породы, образованные за счет выветривания магматических пород, в подвижных зонах земной коры вновь погружаются в зону высоких температур и давлений. Там они переплавляются и образуют магму – источник новых магматических пород. После поднятия этих пород на земную поверхность и действия процессов выветривания вновь происходит трансформация их в новые осадочные породы
Большой круговорот включает и круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу. Влага, испарившаяся с поверхности Мирового океана, переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стока
Малый круговорот веществ в биосфере (биогеохимический). Он совершается лишь в пределах биосферы. Сущность его – в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения.
Биогеохимические круговороты отдельных веществ В. И. Вернадский называл биогеохимическими циклами. Суть цикла в следующем: химически элементы, поглощенные организмом, впоследствии его покидают, уходя в абиотическую среду, затем, через какое-то время, снова попадают в живой организм и т. д.
Участвуя в этих циклах, живое вещество выполняет свои функции.
– первая функция – газовая – основные газы атмосферы Земли, азот и кислород, биогенного происхождения, как и все подземные газы – продукт разложения отмершей органики;
– вторая функция – концентрационная – организмы накапливают в своих телах многие химические элементы, среди которых на первом месте стоит углерод, среди металлов первый кальций, концентраторами кремния являются диатомовые водоросли, йода – водоросли (ламинария), фосфора – скелеты позвоночных животных;
– третья функция – окислительно-восстановительная – организмы, обитающие в водоемах, регулируют кислородный режим и создают условия для растворения или же осаждения ряда металлов (V, Mn, Fe) и неметаллов (S) с переменной валентностью;
– четвертая функция – биохимическая – размножение, рост и перемещение в пространстве («расползание») живого вещества.
В биогеохимических круговоротах следует различать две части, или как бы два среза: 1) резервный фонд — это огромная масса движущихся веществ, не связанных с организмами, 2) обменный фонд — значительно меньший, но весьма активный, обусловленный прямым обменом биогенным веществом между организмами и их непосредственным окружением. Если же рассматривать биосферу в целом, то' в ней можно выделить: 1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере (океан) и 2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре (в геологическом круговороте).
Биогеохимические циклы углерода, азота и кислорода (рис. 6.9) наиболее совершенны. Благодаря большим атмосферным резервам, они способны к быстрой саморегуляции. В круговороте углерода, а точнее — наиболее подвижной его формы — С02, четко прослеживается трофическая цепь: продуценты — улавливающие углерод из атмосферы при фотосинтезе, консументы — поглощающие углерод вместе с телами продуцентов и консументов низших порядков, редуцентов возвращающих углерод вновь в круговорот. Скорость оборота С02 составляет порядка 300 лет (полная его замена в атмосфере и других элементов цикла (рис.6.10
Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса, они содержат до 500 млрд. т этого элемента, что составляет 2/3 его запаса в атмосфере. Вмешательство человека в круговорот углерода приводит к возрастанию содержания С02 в атмосфере
Скорость круговорота кислорода — 2000 лет (рис. 6.10), именно за это время весь кислород атмосферы проходит через живое вещество. Основной поставщик кислорода на Земле — зеленые растения. Ежегодно они производят на суше 53 • 109 т кислорода, а в океанах — 114109 т.
Главный потребитель кислорода — животные, почвенные организмы и растения, использующие его в процессе дыхания. Процесс круговорота кислорода в биосфере весьма сложен, так как он содержится в очень многих химических соединениях.
Подсчитано, что на промышленные и бытовые нужды ежегодно расходуется 23% кислорода, который освобождается в процессе фо-I тосинтеза.
Предполагается, что ближайшее время весь продуцированный кислород будет сгорать в топках, а следовательно, необходимо значительное усиление фотосинтеза и другие радикальные меры.
Биогеохимический круговорот азота не менее сложен, чем углерода и кислорода, и охватывает все области биосферы. Поглощение его растениями ограничено, так как они усваивают азот только в форме соединения его с водородом и кислородом. И это при том, что запасы азота в атмосфере неисчерпаемы (78% от ее объема). Редуценты (деструкторы), а конкретно почвенные бактерии, постепенно разлагают белковые вещества отмерших организмов и превращают их в аммонийные соединения, нитраты и нитриты. Часть нитратов попадает в процессе круговорота в подземные воды и загрязняет их
Опасность заключается также и в том, что азот в виде нитратом и нитритов усваивается растениями и может передаваться по пищевым (трофическим) цепям.
Азот возвращается в атмосферу вновь с выделенными при гниении газами. Роль бактерий в цикле азота такова, что если будет уничтожено только 12 их видов, участвующих в круговороте азота, жизнь на Земле прекратится. Так считают американские ученые.
Биогеохимический круговорот в биосфере помимо кислорода, углерода и азота совершают и многие другие элементы, входящие в состав органических веществ — сера, фосфор, железо и др.
Биогеохимические циклы фосфора и серы, важнейших биогенным элементов, значительно менее совершенны, так как основная их масса содержится в резервном фонде земной коры, в «недоступном» фонде.
Круговорот серы и фосфора — типичный осадочный биогеохимический цикл. Такие циклы легко нарушаются от различного рода воздействий и часть обмениваемого материала выходит из круговорота. Возвратиться опять в круговорот она может лишь в результате геологических процессов или путем извлечения живым веществом биофильных компонентов.
Фосфор содержится в горных породах, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. В биогеохимический круговорот (рис. 6.11) он может попасть в случае подъема этих пород из глубины земной коры на поверхность суши, в зону выветривания. Эрозионными процессами он выносится в море в виде широко известного минерала апатита.
Общий круговорот фосфора можно разделить на две части — водную и наземную. В водных экосистемах он усваивается фитопланктоном и передается по трофической цепи вплоть до консументов третьего порядка — морских птиц. Их экскременты (гуано) снова попадают в море и вступают в круговорот, либо накапливаются на берегу и смываются в море.
Из отмирающих морских животных, особенно рыб, фосфор снова попадает в море и в круговорот, но часть скелетов рыб достигает больших глубин и заключенный в них фосфор снова попадает в осадочные породы.
В наземных экосистемах фосфор извлекается растениями из почв и далее он распространяется по трофической сети. Возвращается в почву после отмирания животных и растений и с их экскрементами. Теряется фосфор из почв в результате их водной эрозии. Повышенное содержащие фосфора на водных путях его переноса вызывает бурное увеличение биомассы водных растений, «цветение» водоемов и их эвтрофикацию. Большая же часть фосфора уносится в море и там теряется безвозвратно.
Сера также имеет основной резервный фонд в отложениях и почве, но, в отличие от фосфора, имеет резервный фонд и в атмосфере рис. 6.12). В обменном фонде главная роль принадлежит микроорганизмам. Одни из них — восстановители, другие — окислители
В горных породах сера встречается в виде сульфидов (FeS2 и др.),1 в растворах — в форме иона (S04)2, в газообразной фазе в виде сероводорода (H2S) или сернистого газа (S02). В некоторых организмах сера! накапливается в чистом виде (S2) и при их отмирании на дне морей I образуются залежи самородной серы.
В морской среде сульфат-ион занимает второе место по содержанию после хлора и является основной доступной формой серы, которая восстанавливается автотрофами и включается в состав аминокислот.
Круговорот серы, хотя ее требуется организмам в небольших количествах, является ключевым в общем процессе продуцирования и разложения (Ю. Одум, 1986). Например, при образовании сульфидов железа, фосфор переходит в растворимую форму, доступную для организмов.
В наземных экосистемах сера возвращается в почву при отмирании растений, захватывается микроорганизмами, которые восстанавливают ее до H2S. Другие организмы и воздействие самого кислорода приводят к окислению этих продуктов. Образовавшиеся сульфаты растворяются и поглощаются растениями из поровых растворов почвы — так продолжается круговорот.
Однако круговорот серы, так же как и азота, может быть нарушен вмешательством человека (см. рис. 6.12). Виной тому прежде всего сжигание ископаемого топлива, а особенно угля. Сернистый газ (S()2T) нарушает процессы фотосинтеза и приводит к гибели растительности.
Биогеохимические циклы легко нарушаются человеком. Так, допивая минеральные удобрения, он загрязняет воду и воздушную среду. В воду попадает фосфор, вызывая эвтрофикацию, азотистые высокотоксичные соединения и др. Иными словами, круговорот становится не циклическим, а ациклическим. Охрана природных ресурсов Должна быть направлена на то, чтобы ациклические процессы пресытить в циклические.
Таким образом, всеобщий гомеостаз биосферы зависит от стабильности биогеохимического круговорота веществ в природе. Но являясь планетарной экосистемой, она состоит из экосистем всех уровней, первоочередное значение для ее гомеостаза имеют целостность ее и устойчивость природных экосистем