Практическая работа №1 изучение характеристик экосистем
Цель работы:
Познакомить студентов с основными понятиями экологии и структурой экосистем.
1. Теоретическая часть
В 1875 г. профессор Венского университета Эрих Зюсс ввел в науку понятие "биосфера" – сфера существования живых организмов, включающая части атмосферы, гидросферы и литосферы.
В 20-х годах прошлого столетия В. И. Вернадский создал учение о "биосфере", в котором показал, что живые организмы являются главным фактором преобразования земной коры. До этого земные процессы рассматривались как чисто физические, химические или физико-химические (размыв, растворение, осаждение, гидролиз и т.п.). Вернадский впервые создал учение о геологической роли животных организмов, показав, что их деятельность является главным фактором преобразования земной коры.
Биосферой (от греч. bios - жизнь, sphaira - шар) В. И. Вернадский назвал совокупность тех составляющих планеты, в которых существует или когда-либо существовала жизнь, и которые подвергаются или подвергались воздействию живых организмов.
Участие каждого отдельного организма в геологической истории Земли ничтожно мало. Однако живых существ на Земле бесконечно много и они обладают высоким потенциалом размножения, активно взаимодействуют со средой обитания, и, в конечном счете, представляют в глобальных масштабах фактор, преобразующий верхние оболочки Земли.
По современным данным Земля существует более 4,5 млрд. лет, а, жизнь и, следовательно, и биосфера – более 3,5 млрд. лет.
За время существования Земли менялся ее облик, шли горообразовательные процессы, менялся климат и др. Эти изменения не могли не сказаться на эволюции живых организмов.
Первоначальная атмосфера состояла главным образом из водорода, водяного пара, метана, азота, оксидов углерода с примесью серы.
Первые формы жизни на Земле были анаэробными (жившими без кислорода). Свободный кислород современной атмосферы является продуктом процесса фотосинтеза зеленых растений – реакции протекающей за счет энергии солнечных лучей при участии хлорофилла зеленых растений, при котором из воды и углекислоты синтезируется органическое вещество и выделяется свободный кислород, который и заполнил атмосферу.
m СО2 + n H2O + энергия = СmHnOk + n O2
В результате фотосинтеза образуются различные органические соединения, простейшим из которых является глюкоза (C6H1206). В общий круговорот материи, связанной с построением органического вещества, вовлекаются и другие элементы, входящие в состав живого: N, P, S, K, Ca, Al, Na, Ag. Продуктивность планетарного фотосинтеза может быть выражена количеством воды и углекислого газа, потребляемым растениями земного шара в течение года. Ученые рассчитали, что за 10 млн. лет в фотосинтез включается масса воды, равная объему всей гидросферы. В течение примерно 7 лет растения поглощают количество углекислоты, равное его объему в атмосфере. В течение 3000-4000 лет обновляется весь кислород атмосферы.
При гибели организма происходит обратный процесс – разложение органического вещества путем окисления, гниения до углекислого газа и воды. Небольшая часть углекислоты почвы фиксируется микроорганизмами, не содержащими хлорофилл (хемосинтез). Некоторые виды бактерий способны окислять аммиак до солей азотной кислоты с выделением энергии и использовать ее для синтеза органических веществ из углекислоты, воды, кислорода, минеральных соединений почвы.
Всю совокупность организмов на планете Вернадский назвал живым веществом. Кроме живого вещества биосфера состоит из косного, биогенного и биокосного вещества.
Косное вещество – это совокупность веществ, в образовании которых живые организмы не участвуют (магматические породы, минералы, вода и др.).
Биогенное вещество создается и перерабатывается живыми организмами (каменный уголь, битум, известняки, нефть).
Биокосное вещество создается одновременно живыми организмами и косными процессами (почвы, природные воды планеты и др.).
Современная жизнь распространена в верхней части земной коры – литосфере (4 км и более), в нижних слоях воздушной оболочки земли – атмосфере (на высотах до 25-27 км, до озонового слоя), и в водной оболочке земли (гидросфере) до глубины 10-11 км. Живые организмы могут существовать в широком диапазоне изменения физических и климатических параметров среды (при температурах от почти абсолютного нуля до + 180 оС, давлении от долей атмосферы на большой высоте, до тысячи и более атмосфер на больших глубинах). Живые организмы могут существовать и в широком диапазоне химических условий среды. Уксусные угрицы – в чанах с бродящим уксусом, ряд микробов – в растворах солей, серные бактерии – в децимолярном растворе серной кислоты. Некоторые организмы могут существовать при действии ионизирующих излучений дозой в 3 млн. раз превышающий естественный радиационный фон Земли.
Распределение жизни отличается крайней неравномерностью. Она слабо развита в пустынях, тундрах, глубинах океана, высоко в горах, тогда как в других участках биосферы чрезвычайно обильна и разнообразна.
Наиболее высокие концентрации живого вещества наблюдаются на границах раздела сред: в пограничном слое литосферы и атмосферы, в поверхностных слоях океана, на дне водоемов и, особенно, в лиманах, где почва, вода и воздух близко соседствуют друг с другом. Места наибольшей концентрации организмов в биосфере В. И. Вернадский назвал "пленками жизни".