Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Экологические основы природопользования. Учебное пособие для СПО

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

1 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 34 / 114 5 6 7 8 9 10 11 > Следующая >>>



ався остальная энергия, нагрев атмосферу, сушу иокеан, переизлучается вкосмическое пространство вформе теплового (инфракрасного) излучения. Как же происходит дальнейшее движение (поток) энергии через компоненты экосистем?

Улавливают энергию Солнца и превращают ее в потенциальную энергию органического вещества растения— продуценты. Весь остальной живой мир получает необходимую дляжизнедеятельности энергию, восновном употребляя их впищу.

Перенос энергии пищи отее источника-продуцента через ряд организмов, происходящий путем поедания одних организмов другими, называется, какуже отмечалось, пищевой, илитрофической, цепью.

Процесс переноса энергии по трофической цепи, формирующий , можно иллюстрировать следующим образом. Животное употребило впищу растение иликонсумента более низкого порядка. Содержащееся в пище органическое вещество расщепляется вприсутствии кислорода свыделением энергии. Этотпроцесс, химически обратный фотосинтезу, называется дыханием. Онимеет место вкаждой клетке живого организма, поэтому его еще называют клеточным дыханием.

Около 90% выделившейся энергии расходуется организмом наподдержание своей жизнедеятельности, то есть наобеспечение всех необходимых ему функций: движение, обогрев тела, добычу ипереваривание пищи, дыхание ит.д. После этого она ввиде выделяемого организмом тепла рассеивается в окружающую среду и, посути дела, безвозвратно теряется длявсей живой системы. Напостроение клеток своего тела организм затрачивает только около 10 % полученной им энергии, которая иможет быть передана наследующий трофический уровень. Это так называемое правило десяти процентов: содного трофического уровня экологической пирамиды надругой всреднем переходит около 10% энергии, поступающей на предыдущий уровень. Таким образом, энергии спереходом отодного уровня кдругому остается все меньше. Длина пищевой цепи ограничивается размерами этих потерь и, какправило, составляет 3–4 уровня.

Однако здесь следует иметь в виду, что чем выше трофический уровень, тем вболее концентрированной форме содержится вживых организмах энергия. Это объясняется присущей только живому веществу спецификой— обладанием механизмами концентрации иаккумуляции энергии.

Таким образом, сначала улавливание, азатем концентрация энергии спереходом отодного трофического уровня кдругому обеспечивают повышение упорядоченности, организации живой системы, то есть

-31-



уменьшение ее энтропии. Дляподдержания низкой энтропии вравной степени важно, чтобы уэлементов системы были эффективные механизмы какдляулавливания иконцентрации энергии (извлечения упорядоченности илинегэнтропии изокружающей среды), так идлярассеивания накапливающейся энтропии вокружающую среду. Такое сочетание механизмов встречается восновном вживых системах. Поэтому жизнь кактермодинамический процесс представляет собой непрерывный обмен живых систем сокружающей средой, при котором происходят освобождение отпроизводимой энтропии иизвлечение негэнтропии, то есть упорядоченности иорганизации, изокружающей среды.

Необходимо понимать, что энтропия уменьшается только в конкретной локальной системе, при этом вокружающей среде она неизбежно возрастает, итолько непрерывный поток солнечной энергии позволяет поддерживать низкий уровень энтропии во всей биосфере.

Для характеристики процесса движения энергии вэкосистемах употребляют понятие потока энергии, поскольку, вотличие отциклического движения вещества, превращения энергии идут водном направлении. Энергия, однажды использованная каким-либо организмом, превращается втепло иутрачивается дляэкосистемы. Онанеможет быть снова «пущена вдело» каквода илинеорганические вещества, поотношению ккоторым используется понятие круговорота воды ивеществ.

Поскольку количество усваиваемой продуцентами энергии ограничено ина каждом новом уровне трофической цепи происходят потери энергии, вэкосистеме члены сообщества разных трофических уровней должны находиться втаком количественном соотношении между собой, которое обеспечит удовлетворение их потребности вэнергии.

Весь запас энергии сосредоточен вмассе органического вещества— биомассе, поэтому интенсивность образования и разрушения органического вещества на каждом из уровней определяется прохождением энергии через экосистему (биомассу всегда можно выразить вединицах энергии). Скорость образования органического вещества называют продуктивностью. При этом чем выше трофический уровень, тем меньше его биомасса. Действительно, если фитофаги будут потреблять больше биомассы, чем ее производят продуценты, что, например, имеет место приизбыточном выпасе животных, то популяция продуцентов, в конце концов, исчезнет. Кроме того, существенная доля потребляемой консументами биомассы возвращается в экосистему в виде отходов жизнедеятельности, а из той, что усваивается, лишь несколько процентов идет насоздание биомассы. Таким образом, вестественных экосистемах

-32-



навысших трофических уровнях неможет быть большой биомассы. Эта закономерность отображается впостроении так называемой экологиче- ской пирамиды, каждый уровень, или«этаж», которой изображается пропорциональным биомассе иличислу особей.

Поскольку ибиомасса, ичисло особей накаждом уровне уменьшаются, их графическое изображение приобретает форму пирамиды. Пирамиды чисел ибиомасс отражают статику системы, то есть характеризуют количество илибиомассу организмов вопределенный промежуток времени. Они не дают полной информации о трофической структуре экосистемы, хотя позволяют решать ряд практических задач, особенно связанных ссохранением устойчивости экосистем. Пирамида чисел позволяет, например, рассчитывать допустимую численность отстрела животных вохотничий период без последствий длянормального функционирования экосистемы.

Реальные пищевые цепи вестественных условиях могут быть очень разветвленными. Множество трофических цепей, переплетаясь вэкосистеме, образует сложные пищевые «сети».

В любой экосистеме происходят образование биомассы иее разрушение, причем эти процессы всецело определяются жизнью низшего трофического уровня— продуцентами. Все остальные организмы только потребляют уже созданное растениями органическое вещество и, следовательно, общая продуктивность экосистемы отних независит.

В зеленых тканях растений осуществляется два параллельных, нопротивоположных процесса— фотосинтез идыхание. Прифотосинтезе вещество создается, энергия накапливается, а при дыхании часть накопленных веществ иэнергии расходуется. Поэтому дыхание рассматривается какнекоторая мера энергии, выносимой изсообщества, вто время какувеличение биомассы иесть продуктивность.

Если вэкосистеме процессы накопления вещества преобладают над процессами дыхания, то суммарная биомасса вней нарастает. Наоборот, если впроцессе дыхания илипотребления последующими звеньями пищевой цепи расходуется больше вещества, чем создается растениями, то запасы биомассы убывают. Приравенстве биомассы, продуцируемой растениями в процессе фотосинтеза иубывающей за счет дыхания тех же растений или расходования последующими уровнями, объем биомассы вней остается примерно постоянным.

Прирост биомассы может происходить при наличии благоприятных абиотических факторов илипри постоянном поступлении дополнительной энергии извне. Такая дополнительная энергия может поступать,

-33-



вчастности, вформе энергии ископаемого топлива иработы, совершаемой человеком.

Таким образом, дляобеспечения энергией всех особей сообщества живых организмов экосистемы необходимо определенное количественное соотношение между продуцентами, консументами разных порядков иредуцентами. Однако дляжизнедеятельности любых организмов, азначит, исистемы вцелом, поступления только энергии недостаточно, они обязательно должны получать различные минеральные компоненты, микроэлементы, органические вещества, необходимые дляпостроения клеток живого вещества.



В процессе фотосинтеза изуглекислого газа иводы образуется основа органического вещества— глюкоза. Это нетолько важнейший источник энергии вклетках, ноиосновной строительный материал живого вещества. Глюкоза входит всостав многих более сложных соединений: лактозы, сахарозы, крахмала, целлюлозы, некоторых гликопротеинов.

Для построения, роста иобновления тканей продуцентам дол жны быть доступны, кроме воды, углекислого газа исвета, многие другие неорганические вещества. Кроме того, растениям необходимы также разнообразные микроэлементы, содержащиеся в почве в небольших количествах (кобальт, марганец, железо, магний и др.). Для построения организма консументов, которые используют, в отличие отпродуцентов, уже готовые органические соединения, их пища должна содержать углеводы, липиды, белки, нуклеиновые кислоты, необходимое количество витаминов иразличные микроэлементы. Если впище отсутствуют какие-либо изэтих компонентов, то, сколько бы энергии (калорий) она нисодержала, неизбежно появятся нарушения, вызванные неполноценным питанием. Питание животных (втом числе ичеловека) должно отвечать нескольким условиям:

1) питание должно быть сбалансировано по энергии. Количество потребляемой пищи (и энергии) определяется энергозатратами организма, то есть режимом иобразом жизни;

2) питание должно быть полноценным содержанию питательных веществ, втом числе витаминов, аминокислот имикроэлементов;

3) питание должно быть полноценным постоянно, поскольку организм неможет запасать многие необходимые элементы впрок.

-34-



Что касается человека, то пища, какправило, должна проходить минимальную термическую обработку, поскольку привысоких температурах разрушаются витамины имикроэлементы. Кроме того, естественно, пища недолжна содержать ядов, токсинов, вредных дляздоровья консервантов икрасителей.



Химические элементы, входящие в состав живых систем и абиотических компонентов, циркулируют в биосфере по характерным путям извнешней среды в организмы иобратно во внешнюю среду. Эти вбольшей или меньшей степени замкнутые пути называют биогеохи- мическими циклами, или биогеохимическим круговоротом веществ. Биогеохимические циклы — это обмен веществом и энергией между различными компонентами биосферы, обусловленный деятельностью живых организмов иносящий циклический характер. Движение необходимых для жизни элементов называется круговоротом биогенных элементов. Приэтом выделяют два круговорота: большой (геологический) ималый (биотический).

Большой круговорот измеряется масштабами геологического времени идлится сотни тысяч илимиллионы лет. Приэтом продукты разрушения ивыветривания горных пород переносятся реками вМировой океан, где они образуют морские отложения. Медленные геотектонические изменения, процессы опускания материков иподнятия морского дна, тектоника плит, вызывающая перемещение границ морей и океанов, приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу ипроцесс начинается вновь.

На фоне глобального круговорота вещества вбиосфере непрерывно происходят малые биотические круговороты. Малый круговорот заключается втом, что углекислый газ, вода и питательные вещества почвы извлекаются растениями ирасходуются напостроение тела иобеспечение жизненных процессов, как самих продуцентов, так иконсументов. Растительные остатки итрупы консументов разлагаются редуцентами доминеральных компонентов, доступных растениям ивновь вовлекаемых ими впроцесс фотосинтеза. Движение химических веществ изнеорганической среды через живые организмы снова в неорганическую среду с использованием энергии Солнца ихимических реакций носит название биогеохимического цикла.

-35-



Наиболее значимыми для функционирования биосферы являются круговороты основных биогенных элементов (органогенов), входящих всостав живого вещества: углерода, кислорода, водорода, азота, фосфора исеры, поскольку они являются компонентами дляпостроения основных молекул живого вещества— углеводов, липидов, белков и нуклеиновых кислот. Движущими силами биохимического круговорота служат энергия солнечного излучения идеятельность всех живых организмов.

Очевидно, что важнейшую роль вобеспечении жизнедеятельности биосферы играет . Наибольшую активность вэтом об- мене проявляют атмосферная влага иречные воды, которые сменяются всреднем каждые 10–11суток. Количество пресной воды наЗемле весьма ограничено (менее 3% отобъема всей гидросферы), однако чрезвычайно быстрая возобновляемость основных источников пресной воды иопреснение воды впроцессе круговорота гарантируют, что совсем без пресной воды Земля неостанется.

  является самым интенсивным. Углерод вбиосфере часто представлен наиболее подвижной формой— углекислым газом. Источником первичной углекислоты биосферы является вулканическая деятельность, связанная спроцессом дегазации мантии инижних горизонтов земной коры.

Миграция углекислого газа вбиосфере Земли протекает двумя путями. Первый из них заключается в поглощении диоксида углерода изатмосферы впроцессе фотосинтеза, врезультате которого образуются глюкоза идругие органические вещества, изкоторых построены все растительные клетки. В дальнейшем эти вещества переносятся по пищевым цепям иобразуют клетки иткани всех остальных организмов экосистемы. Растения (автотрофы), животные (гетеротрофы), микроорганизмы игрибы (сапротрофы) дляполучения энергии впроцессе дыхания расщепляют органические молекулы на углекислый газ и воду. Атомы углерода приэтом вновь поступают в атмосферу, завершая тем самым очередной цикл.

Второй путь связан срастворением углекислого газа в воде и его взаимодействием сионами кальция имагния. Приэтом образуются малорастворимые карбонаты кальция имагния, составляющие основу осадочных пород— известняков, доломитов идр. Карбонаты кальция имагния, накапливаясь на дне морей наряду с известковыми раковинами морских организмов, образуют мощные залежи известняков. Тектонические процессы могут привести кподнятию морского дна иотступлению моря. Наобнажившихся осадочных породах поселяются растения иснова вовлекают вкруговорот углерод, содержащийся вкарбонатах.

-36-



Существенная особенность биогеохимических циклов— это неполная обратимость (незамкнутость) круговорота. Вмалом (биотическом)

биогеохимическом круговороте степень обратимости годичных циклов биогенных элементов составляет от95 до98 %. Остальная часть циркулирующих веществ выходит избиотического круговорота инакапливается влитосфере, атмосфере илигидросфере, поступая вгеологический цикл. Ежегодно изназемных экосистем переходит вгеологический цикл около 130 млн т углерода. Втечение последних 600 млнлет вследствие неполной обратимости цикла углерода влитосфере накопилось огромное количество (10

–1017 т) соединений углерода: уголь, нефть, известняк, битум, торф идр. Современное человечество взначительном объеме добывает это ископаемое топливо для обеспечения потребностей вэнергии и, сжигая его, вопределенном смысле завершает круговорот углерода.

  Кислород является самым распростра-

ненным биогенным элементом. Например, если учитывать воду, тело человека состоит из 62,8 % кислорода и 19,4 % углерода. Потребление атмосферного кислорода иего возмещение продуцентами происходят сравнительно быстро. Дляполного обновления всего атмосферного кислорода достаточно около 2000 лет. Внастоящее время процессы фотосинтеза идыхания, без учета деятельности человека, уравновешивают друг друга, исодержание кислорода ватмосфере остается практически постоянным.

Таким образом, благодаря непрерывно действующим круговоротам биогенных элементов поддерживается устойчивая и организованная структура биосферы Земли ипротекает ее нормальное функционирование.

Глобальный характер хозяйственной деятельности человека приводит к заметным качественным изменениям естественных циклических процессов. По ряду параметров масштабы антропогенного влияния вполне сопоставимы сприродными биогеохимическими циклами. Поступающие в биосферу техногенные продукты подрывают ее естественное функционирование, что приводит кнарушению отлаженного биогеохимического круговорота. Для многих элементов исоединений (тяжелые металлы, азот, сера, фосфор идр.) биогеохимические циклы все в большей степени становятся природно-антропогенными. Некоторые искусственные материалы (например, пластмассы) практически неперерабатываются вбиосфере ивыпадают избиогеохимического круговорота.

-37-







Существуя вусловиях изменяющейся среды, экосистемы выработали ряд адаптивных (приспособительных) механизмов. Видовой состав, структура трофических связей обеспечивают их приспособленность к особенностям среды обитания и поддерживают круговорот веществ вэтих условиях.



Каждая экосистема состоит изсотен итысяч видов продуцентов, консументов иредуцентов, которых связывают пищевые сети инепищевые взаимоотношения. В природе каждый существующий вид представляет собой сложный комплекс стабильных внутривидовых группировок— по- пуляций. Популяция (от лат. populus— народ, население)— это элемен- тарная группировка организмов одного вида, обладающая всеми необходимыми условиями дляподдержания своей численности неограниченно длительное время. Популяция занимает определенную территорию (ареал), имеет определенную структуру и обладает единым генофондом, являясь генетической единицей вида, изменения которой определяют эволюцию вида. Популяции характеризуются следующими параметрами:

Численностью— общим количеством особей вареале.

Плотностью— числом особей наединицу площади илиобъема ареала.

Динамикой численности— соотношением показателей рождаемо-

сти, смертности, иммиграции иэмиграции.

Структурой— определенным количественным соотношением особей разного пола, возраста, размера, генотипа ит.д.

Распределением впространстве— величиной ареала ит.п.

Основная причина, позволяющая экосистемам длительное время сохранять постоянный видовой состав, а значит, иустойчивость, заключается в том, что популяции, входящие в состав сообщества, находятся вдинамическом равновесии. Равновесие экосистемы— это равновесие со- ставляющих ее популяций. Устойчивое увеличение илиуменьшение любой популяции приводит кизменению экосистемы вцелом.

Для выяснения условий равновесия экосистем необходимо рассмотреть взаимодействие популяций данного вида сдругими популяциями, атакже реакции популяции вцелом наизменение условий окружающей среды. Этими вопросами занимается специальное направление— популяционная экология.

-38-





Изменения в численности, структуре и распределении популяций как реакция на условия окружающей среды называются  . Изменение уровня смертности или уровня рождаемости является основной реакцией большинства видов на объем доступных ресурсов илидругие изменения окружающей среды. Благоприятные изменения обычно вызывают увеличение численности популяции вследствие превышения рождаемости над смертностью. Неблагоприятные изменения приводят кобратному процессу. Особи некоторых видов животных могут избежать или уменьшить действие резкого изменения окружающей среды, покидая место своего обитания (эмиграция) имигрируя на другую территорию (иммиграция) с более благоприятными экологическими условиями илучшей обеспеченностью ресурсами.

Таким образом, четыре фактора— рождаемость, смертность, иммиграция иэмиграция— определяют скорость изменения числа особей в популяции за определенный промежуток времени. Структура популяции вотношении особей разного возраста ипола может резко изменяться. Старые, очень молодые и слабые члены популяции могут погибнуть врезультате резких изменений окружающей среды. Выжившие особи приобретут большую устойчивость кстрессовым факторам, таким какболее суровый климат, увеличение численности хищников илиболезнетворных организмов.

. Рождаемость живых организмов определяется несколькими основными характеристиками. Одна изних— соотношение выжившего потомства кчислу самок вконце периода размножения. Например, самки калифорнийских кондоров откладывают только 1 или2 яйца, утки икуропатки откладывают ивысиживают от8 до15 яиц одновременно.

Самки некоторых рыб мечут миллионы икринок каждый год. Крысы имыши 4 раза вгод приносят приплод всреднем с6 детенышами водном помете. Рождаемость видов также зависит оттого, сколько раз вгоду самки проходят через полный цикл размножения иот продолжительности беременности.

Когда плотность популяции, живущей наконкретной территории, падает ниже определенного уровня, особи могут иметь трудности впоиске половых партнеров, и рождаемость может упасть. Аналогичная картина наблюдается ивтех случаях, когда плотность популяции становится слишком высокой, что сказывается наздоровье половозрелых

-39-



особей. Приперенаселенности истрессовых условиях некоторые виды, такие каккрысы, испытывают резкое падение рождаемости, даже если наблюдается избыток пищи.

   . В основном смертность ивозрастная структура видов зависят оттого, какие шансы длявыживания имеют особи вразличных возрастных группах. Наглядную информацию дает кривая выживаемости отдельных видов, получаемая путем подсчета процента живых особей вотдельной популяции.

Смертность зависит иот разных факторов. Один изних— межвидовая конкуренция: конкуренция между особями двух илиболее различных видов запитание идругие ресурсы. Другой фактор— это внутривидовая конкуренция: конкуренция между особями одного вида заскудные ресурсы. Смертность может также повыситься из-заналичия хищников, болезней ипаразитов, стресса отперенаселенности, потери илиухудшения естественной среды обитания врезультате человеческой деятельности и, кроме того, из-заприродных катаклизмов, таких какзасухи, землетрясения, ураганы, пожары инаводнения.

Практически любой вид способен увеличивать свою численность дозаселения всей Земли приусловии достатка пищи, воды, пространства изащиты отврагов. Этого непроисходит только потому, что природные условия нестоль идеальны, аресурсы ограничены. Максимальный размер популяции одного вида, который природная экосистема способна поддерживать в определенных экологических условиях неопределенно долго, называется емкостью среды. Когда численность популяции превышает емкость экосистемы, из-завнутривидовой имежвидовой конкуренции, голода, других факторов резко увеличивается смертность иснижается рождаемость. Приэтом численность популяции сокращается дотех пор, пока недостигнет значения соответствующей емкости среды.

В природе мы встречаемся стремя основными типами роста численности популяций: относительно стабильным, скачкообразным ициклическим.

Виды, чья численность находится изгода вгод науровне емкости окружающей среды, имеют относительно стабильные популяции. Подобное постоянство вразмерах популяции характерно для многих видов дикой природы ивстречается, например, внетронутых тропических дождевых лесах, где среднегодовая температура иколичество осадков крайне мало изменяются день ото дня игод отгода.

Скачкообразное увеличение численности происходит тогда, когда временно повышается емкость среды дляданной популяции, что может быть связано сулучшением погодных условий ипитания илис резким

-40-

<<< < Предыдущая 1 2 34 / 114 5 6 7 8 9 10 11 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]