Экология. Учебное пособие-1

3. Антропогенные — факторы, прямо или побочно обязанные своим происхождением деятельности человека.

Относительно экосистемы различают внешние и внутренние экологические факторы.

Внешние (экзогенные) — факторы, которые действуют на экосистему через внешнюю среду, но сами практически не чувствуют обратного действия (потоки солнечной энергии, размер атмосферных осадков и др.).

Внутренние (эндогенные) — факторы качества экосистемы.

К ним относят:

–микрометеорологические — освещенность, температура, влажность приземной прослойки воздуха, содержание в нем кислорода, углекислого газа и т.д.;

–почвенные — температура, влажность и состав почв, содержание гумуса, доступность минерального питания, окислительно-восстановительный потенциал;

–биотические — плотность популяции разнообразных видов, их возрастной состав, морфологические, физиологичные и поведенческие характеристики

ит.д.

2.5.1. Лимитирующие экологические факторы. Предел толерантности экосистемы

Лимитируемые экологические факторы — это те экологические фак-

торы, доза которых приближается к критическим значениям, то есть значения которых выше или ниже оптимального значения.

Живые организмы, а значит, и экосистемы реагируют на силу влияния того или другого экологического фактора.

Негативное влияние экологического фактора может возникать как в случае избытка, так и недостатки его дозы. Поэтому существует понятие «благоприятная доза», или «зона оптимума экологического фактора» и «зона песси-

мума».

Зона оптимума — набор значений экологического фактора оптимально благоприятных для жизни и развития живых организмов.

Зона пессимума — набор значений экологического фактора, при которых организмы чувствуют себя угнетенно.

Набор значений экологического фактора, при которых возможна жизнь,

называется зоной толерантности (зоной выживаемости) экосистемы относи-

тельно данного экологического фактора.

12

Максимальные и минимальные переносимые значения дозы экологиче-

ского фактора называются «критические значения» (критические точки).

Больше всего распространены организмы с широким диапазоном толерантности относительно всех экологических факторов (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость степени влияния экологического фактора на жизнь от его дозы:

1, 3 — зоны угнетения; 1+2+3 — зона толерантности; 2 — зона оптимума; 4 — зона смерти

Для нормальной жизнедеятельности экосистемы любой экологический фактор должен принимать оптимальные значения или хотя бы не выходить за пределы критических точек — закон оптимума.

Таким образом, лимитирующие факторы сдерживают развитие организмов за счет недостатка или избытка этого фактора в сравнении с потребностью.

Лимитирующее влияние было доказано немецким агрохимиком Юстусом фон Либихом в середине XIX века. В результате своих исследований он установил закон минимума, который отображал зависимость урожая от некоторого фактора, находящегося в минимуме.

2.5.2. Принцип Либиха

Принцип Ю. фон Либиха — устойчивость экосистемы определяется самым слабым звеном в цепи ее экологических потребностей (то есть устойчивость определяется тем компонентом, который в минимуме).

Позднее американским зоологом Виктором Шелфордом в 1913 г. было предложено мнение о лимитирующем воздействии максимального значения фактора наравне с его минимальным значением. В результате был сформулирован биологический закон толерантности. Согласно ему, любой живой организм имеет определенные эволюционно унаследованные верхние и нижние пределы устойчивости к действию любых экологических факторов.

13

Таким образом, лимитирующими факторами являются факторы, ограничивающие развитие того или иного организма как из-за их избытка, так и из-за недостатка по сравнению с потребностью (оптимальным содержанием).

Вся совокупность условий, необходимых для существования того или другого вида живых организмов, а также его роль в биологическом сообществе составляют экологическую нишу. Каждый вид занимает свою нишу в сообществе.

2.6.Функционирование экосистем и биосферы

2.6.1.Потоки энергии в экосистемах и в биосфере

Функционирование экосистемы любого уровня осуществляется лишь за счет использования материально энергетических и информационных возможностей окружающей среды. Определяющей характеристикой жизни как особенной формы существования материи есть обмен веществ.

Обмен веществ отдельных организмов с окружающей средой в процессе дыхания, питания, разнообразных выделений или в более общем виде — кругооборот вещества в экосистемах возможен лишь в процессе использования и передачи энергии.

В экосистеме, как и в биосфере в целом, основными потоками энергии являются потоки концентрированной (в основном солнечной) и рассеянной энергии (тепловой). Живые организмы, в некотором смысле, можно сравнивать со своеобразными машинами, которые производят биомассу. Расчеты показали, что КПД растительной машины не больше 1 %, т.е. только 1 % солнечной энергии запасено в растительной продукции. Куда же тратятся другие 99 %?

Достаточно большое количество (30–40 %) лучистой энергии не проникает в листья и отражается от их поверхности. Большая часть (60–70 %) тратится на дыхание, испарение, экскрецию, превращаясь в тепло.

Поток солнечной энергии превращается растениями в процессе фотосинтеза в энергию химических связей, которая последовательно переходит с едой от растений к животным, консументам первого порядка, от них к консументам второго и высших порядков, а по мере гибели организмов или выделения ими отбросов к редуцентам.

Фотосинтез — это синтез зелеными растениями органических веществ (белки, жиры и углеводы) из СО2, Н 2О, минеральных солей азота, фосфора и других элементов, с помощью энергии света.

14

Реакцию фотосинтеза можно записать в виде:

хлорофилл

CO2 + H2O + мин. соли + солнечная энергия биомасса + O.

В пересчете на глюкозу реакцию фотосинтеза можно записать в виде:

хлорофилл

6CO2 + 6H2O + 2818,7 кДж C6H12O6 + 6O2.

Особенностью превращения энергии в экосистемах является ее односторонняя направленность — лучистая энергия, пройдя ряд превращений, в значительной мере рассеивается в виде тепла.

Таким образом, для нормального функционирования экосистемы необходим постоянный и достаточный приток концентрированной энергии, способной превращаться в работу, при этом энтропия окружающей среды увеличивается, потому обязательно необходим сток тепловой энергии из экосистем.

Баланс энергии можно записать в виде уравнения:

где Ек и Ер — концентрированная и рассеянная энергии;

А— энергия, израсходованная на работу по функционированию экосистемы.

2.6.2.Потоки химических веществ в экосистемах и биосфере

Только продуценты могут усваивать энергию и вещество непосредственно из окружающей среды. Все остальные живые организмы получают то и другое вместе с питанием.

Ряд организмов, в котором каждое предыдущее звено является пищей для последующего, называется трофической или пищевой цепью.

При переходе от одного звена трофической цепи к другому передается только 10–20 % связанной энергии, а 80–90 % рассеивается в виде тепла.

Длина трофической цепи не может быть слишком большой. Она, как правило, не превышает пяти — семи уровней. Это обусловлено тем, что к каждому следующему организму трофической цепи переходит только часть энергии, потребляемой на предыдущем уровне, остальная идет на поддержку жизненных

15

процессов и значительная часть рассеивается в виде тепла. Поэтому общая масса живого вещества следующего пищевого звена резко уменьшается.

В экологии соотношения численности организмов или их биомасс, или связанной в биомассе энергии обычно изображают в форме экологических пирамид. С точки зрения оценки общей эффективности экосистем наибольшую информацию дают экологические пирамиды энергии.

Живые организмы экосистем взаиомосвязаны с окружающей средой таким образом, что поток энергии создает четко определенные биологические структуры и кругооборот вещества между живой и неживой частями экосистемы.

Под биогеохимическим кругооборотом понимается поступление хими-

ческих элементов из почвы, атмосферы, гидросферы в живые организмы, преобразование их в процессе жизнедеятельности в сложные органические соединения и возвращение их потом в почву, атмосферу, гидросферу в процессе жизнедеятельности с ежегодным отмиранием части органического вещества и переработкой его редуцентами — разложение на простые химические элементы.

Уравнение аэробного разложения биомассы имеет вид:

редуценты

Биомасса + О2 гумус + мин. соли + СО2 + Н2О + тепловая энергия.

Экосистемы будут нормально функционировать, если не будет нарушений при прохождении энергии через трофические цепи и нормально функционируют биогеохимические кругообороты вещества.

Увеличение загрязнения атмосферы промышленными выбросами усложняет усвоение солнечной энергии растениями, потому что пылью «забиваются» их поры, через которые происходит питание и газообмен. В результате уменьшается количество еды, следовательно, и энергии, которая поступает всем другим живым организмам, все большее их количество не сможет противостоять увеличению энтропии и погибнет. При определенных размерах этого процесса вся система может погибнуть.

2.6.3.Устойчивость и саморегуляция экосистем и биосферы

Воснове устойчивости экосистем и биосферы в целом лежит широкий комплекс механизмов и их структурных особенностей. Главный фактор устойчивости экосистем — это наличие в ней живой материи. Устойчивость экосистем в значительной мере связана с уровнем их эволюционной развитости. Су-

16

ществует мысль, что эволюционно более молодые и прогрессивные экосистемы сложной организации со значительными ресурсами удельной свободной энергии имеют повышенную стойкость. Снижается устойчивость экосистемы при упрощении их структуры. Именно она определяет преимущество синтеза и структуризации над процессами распада. Предоставляет устойчивость экосистеме разнообразие форм жизни. Устойчивость экосистем зависит от устойчивости организмов и популяций, которые в нее входят. Устойчивость организ-

мов и популяций проявляется в их способности к самой поддержке и сохранению в условиях неблагоприятных внешних влияний.

Основой устойчивости живых организмов является их способность к адаптации. Адаптация может быть определена как соответствие между организмом и его средой.

В эпоху глобального антропогенеза особенно важное значение получила стойкость живых существ к различным химическим веществам, которые в естественной среде отсутствуют. За счет переадаптации живые организмы способны противостоять вредному влиянию химических веществ.

Адаптация — это не только свойство организмов, это и свойство популяций. На популяционном уровне адаптация проявляется в формировании гетерогенного состава популяции и появлении в них экотипов — особенных форм, которые отличаются характером приспособлений к среде и расширяют амплитуду условий, в которых может выжить данный вид.

Более устойчивыми оказываются генетически переменчивые, лабильные популяции, которые быстрее приспосабливаются к изменениям условий существования. При наличии сложной внутренне-популяционной структуры растения и животного более стойкие и жизнеспособные.

Таким образом, биологическое многообразие является интегральной формой вариабельности живой материи, формой ее существования, и потому является одной из объективных ценностей природной среды.

При рассмотрении развития любых биосферных структур, от организмов ко всей биосфере, стоит иметь в виду соотношение стихийного и умного начала. Первые фазы развития социума осуществлялись в условиях явного перевеса стихийного развития. Именно так изменяли друг друга такие важные этапы, как одомашнивание диких животных, возникновение оседлости и земледелия, научно-техническая революция. Во всех этих случаях доминировало саморазвитие. Новым этапом в развитии социума, к которому приблизилось человечество на рубеже ХХI века, есть формирование экологического общества. Он требует отказа от общепринятой ориентации на рост материального богатства.

17

Этот этап уже не может осуществиться как стихийное развитие. Он может быть реализован только системой сознательных действий и знаменует переход от этапа стихийного к этапу самоуправляемого развития социума, когда каждый отдельный человек, как и общественные объединения разных рангов, вплоть до государства осознают, что они являются частицами биосферы и принимают участие в ее регуляции.

3.ХАРАКТЕРИСТИКА БИОСФЕРЫ

3.1.Понятие «биосфера». Учение В. И. Вернадского о биосфере

Владимир Иванович Вернадский (28 февраля (12 марта) 1863 — 6 января 1945) — российский и советский ученый-естествоиспытатель, мыслитель и общественный деятель конца XIX века — первой половины XX века.

Основные достижения В.И. Вернадского:

–внес вклад в минералогию и кристаллографию. В 1888–1897 гг. ученый разработал концепцию структуры силикатов, выдвинул теорию каолинового ядра, уточнил классификацию кремнеземистых соединений и изучил скольжение кристаллического вещества;

–разработал генетическую минералогию. Установил связь между формой кристаллизации минерала, его химическим составом, генезисом и условиями образования;

–сформулировал основные идеи и проблемы геохимии. В рамках нее им были проведены первые систематические исследования закономерностей строения и состава атмосферы, гидросферы, литосферы;

–с 1907 г. вел геологические исследования радиоактивных элементов, положив начало радиогеологии;

–создал науку биогеохимии — раздела геохимии, изучающего химический состав живого вещества и геохимические процессы, протекающие в биосфере Земли при участии живых организмов;

–сформулировал концепцию биологической структуры океана. По его концепции, жизнь в океане сконцентрирована в «пленках» -географических пограничных слоях различного масштаба.

С глобальной точки зрения биосфера представляет собой совокупность экосистем нашей планеты.

Деятельность В. И. Вернадского связывает разные эпохи в истории России. Он мощно двинул вперед все науки о Земле, что привело к новому пони-

18

манию общества и личности. Он создал учение о биосфере и о разуме в природе, дал новое представление о времени и пространстве и, следовательно, открыл новое естествознание, которое только сегодня становится внятно мировому научному мышлению.

Согласно В. И. Вернадскому, биосфера — это оболочка Земли, сформированная живыми организмами. В. И. Вернадский считал, что под влиянием человека биосфера переходит в новое эволюционное состояние — ноосферу. Ноосфера — сфера взаимодействия общества и природы, в границах которой разумная человеческая деятельность становится определяющим фактором развития.

В. И. Вернадский назвал биосферой ту область нашей планеты, в которой существует или когда-либо существовала жизнь и которая постоянно поддается или поддавалась влиянию живых организмов.

Основные положения учения В. И. Вернадского о биосфере:

1.Биосфера — покрытая система, она не может существовать без энергии, поступающей извне. Основным поставщиком этой энергии является Солнце.

2.Живое вещество играет основную роль в биохимическом круговороте веществ и энергии. Оно контролирует развитие биосферы и управляет ей.

3.Элементарной структурной единицей биосферы является биогеоценоз. Биосфера является высшим уровнем организации жизни на Земле.

4.Необходимым условием существования биосферы является круговорот веществ. Он позволяет повторно использовать одни и те же элементы.

5.Живое вещество в биосфере распределено неравномерно. В океане обитает менее 1 % живых организмов, населяющих планету. Оставшиеся организмы живут на суше.

6.Биосфера имеет границы. Она распространяется на нижний слой атмосферы, верхний слой литосферы и часть гидросферы.

7.Под влиянием деятельности человека биосфера переходит в ноосферу — «сферу разума». Ноосфера — это высшая стадия развития биосферы, в которой проявляется деятельность человека как главный, определяющий фактор развития.

8.Все вещества биосферы подразделяются на четыре группы: живое, косное, биокосное, биогенное. Живое вещество — совокупность всех живых элементов биосферы. Косное вещество — неживые компоненты биосферы, в своем происхождении никак не связанные с деятельностью живого.

19

Все функции живых организмов (создание газовой среды, окислительные процессы, концентрация химических элементов и т.д.) не могут выполняться организмами любого одного вида, а только их комплексом.

Таким образом, В. И. Вернадский сделал вывод о том, что биосфера Земли сформировалась с самого начала как сложная система с огромным количеством видов, каждый из которых исполняет свою роль в общей системе.

3.2.Структура биосферы

3.2.1.Основные типы вещества в биосфере

Общая протяженность биосферы вдоль радиуса Земли составляет около 40 км. Она простирается от нижней части озонового слоя атмосферы, который расположен на высоте 20–25 км над уровнем моря, к верхней части горных пород и дна Мирового океана. Нижний предел протяженности биосферы лежит на 23 км вглубь суши и на 1–2 км ниже дна океана.

Основная масса живого вещества, наличие которого отличает биосферу от других геосфер, сосредоточена в сравнительно небольшой прослойке — биостроме. Биострома лежит на поверхности суходола и охватывает верхние слои водоемов. В этой зоне находится 98 % всего живого вещества планеты.

Биосфера сформирована из разных видов вещества. В. И. Вернадский выделяет шесть главных типов вещества биосферы:

1.Живое вещество, которое представлено организмами разных видов.

2.Биогенное вещество, которое является продуктом жизнедеятельности организмов (например, каменный уголь, торф).

3.Неживое вещество (косное), в образовании которого живые организмы не участвовали.

4.Биокосное вещество, которое сформировано за счет взаимодействия живого и косного веществ. Основным видом биокосного вещества является почва.

5.Радиоактивное вещество.

6.Космическое вещество (например, метеорит).

20