reforef.ru 1
Экология как наука


Экология (от греческого «ойкос» - дом, жилище и «логос» - учение) – наука, изучающая условия существования живых организмов со средой, в которой они обитают.

Главный объект изучения в экологии – экосистемы, то есть единые природные комплексы, образованные живыми организмами и средой обитания. Кроме того, в область ее компетенции входит изучение отдельных видов организмов (организменный уровень), их популяций, то есть совокупностей особей одного вида (популяционно-видовой уровень), и биосферы в целом (биосферный уровень).

Основной, традиционной частью экологии как биологической науки является общая экология, которая изучает общие закономерности взаимоотношений любых живых организмов и среды (включая человека как биологическое существо).

В составе общей экологии выделяют следующие основные разделы:


  • аутэкологию, исследующую индивидуальные связи отдельного организма (виды, особи) с окружающей его средой;

  • популяционную экологию (демэкологию), в задачу которой входит изучение структуры и динамики популяций отдельных видов;

  • синэкологию (биоценологию) – изучающую взаимоотношение популяций, сообществ и экосистем со средой.

Для всех этих направлений главным является изучение выживания живых существ в окружающей среде и задачи перед ними стоят преимущественно биологического свойства – изучить закономерности адаптации организмов и их сообществ к окружающей среде, саморегуляцию, устойчивость экосистем и биосферы, и так далее.

В изложенном выше понимании общую экологию нередко называют биоэкологией, когда хотят подчеркнуть ее биоцентричность.

С точки зрения фактора времени экология дифференцируется на историческую и эволюционную.

Кроме того, экология классифицируется по конкретным объектам и средам исследования, то есть различают экологию животных, экологию растений и экологию микроорганизмов.


Экологическими проблемами Земли как планеты занимается интенсивно развивающаяся глобальная экология, основным объектом изучения которой является биосфера как глобальная экосистема. В настоящее время появились и такие специальные дисциплины, как социальная экология, изучающая взаимоотношения в системе «человеческое общество - природа», и ее часть – экология человека (антропоэкология), в которой рассматривается взаимодействие человека как биосоциального существа с окружающим миром.

Теоретическая экология вскрывает общие закономерности организации жизни.

Прикладная экология изучает механизмы разрушения биосферы человеком, способы предотвращения этого процесса и разрабатывает принципы рационального использования природных ресурсов.

В чем сущность Вернадского В. И. о биосфере?

Биосфера – особая оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть веществ планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.

Биосфера включает:


  • живое вещество;

  • биогенное вещество;

  • косное вещество;

  • биокосное вещество;

  • радиоактивное вещество;

  • вещество космического происхождения;

  • рассеянные атомы.

Сущность учения – в признании исключительной роли «живого вещества», преобразующего облик планеты.

Представление об организованности биосферы – согласованное взаимодействие живого и неживого.

Представление о ее возникновении и развитии: биосфера возникла в результате эволюции. По-видимому, первыми были анаэробные бактерии.

  1. Формирование литосферы

  2. Никогда не наблюдались периоды, лишенные жизни

  3. Живые организмы.

  4. Их количество бесконечно велико и действуют они бесконечно длительное время

  5. Движущий фактор – биохимическая энергия живого вещества



Что такое биосфера, ее состав и границы?

Жан БатистЛамарк (1744 год – 1783 год) – термин «биосфера».

Вернадский В. И. (1926). Биосфера - поверхностная оболочка Земли, созданная и преобразуемая деятельностью живых организмов.

Строение биосферы:


  • Атмосфера до высоты 25 км (озоновый слой)

  • Гидросфера на всю толщу (11 км)

  • Литосфера до глубины 5 км (температурный барьер +105ºС)

Характерные черты биосферы:

  • Наличие вещества в трех агрегатных состояниях – жидком, твердом и газообразном.

  • Наличие большого количества воды в свободной форме.

  • Наличие большого количества энергии, как солнечного, так и земного происхождения.

Основные компоненты биосферы:

  • Живое вещество – вся сумма живых организмов, находящихся на планете в данный исторический период.

  • Биогенное вещество – органическое или органо-минеральное вещество, созданное организмами далекого прошлого и представленное в виде каменного угля, горючих сланцев, горючих газов, торфа, сапропеля, нефти.

  • Биокосное вещество – неорганические вещества, преобразованные деятельностью организмов (вода, воздух, железная и марганцевая руды).

Термин «Биосфера» был впервые введен в литературу австрийским геологом Э.Зюссом для обозначения всего того пространства атмосферы, гидросферы и литосферы, где обитают живые организмы. Целостное учение о биосфере было создано академиком В.И.Вернадским (1863 – 1945 гг.), который определил биосферу как область существования  и функционирования живого вещества – совокупности всех живых организмов на планете. В учении В.И.Вернадского впервые была раскрыта роль живых организмов в процессах планетарного масштаба, показано, что живые организмы и продукты их жизнедеятельности являются наиболее мощной геологической силой,  играющей первостепенную роль в механизмах разрушения горных пород, круговорота веществ, изменения водной и воздушной оболочек планеты, эволюции верхних слоев литосферы.


Наряду с живым веществом, В.И.Вернадский выделил еще несколько категорий вещества в биосфере. Живому веществу противопоставляется  косное вещество - все геологические образования, не входящие в состав живых организмов и не созданные ими. Примеры косного вещества – гранит, кварц и тому подобные. Геологические породы, созданные в результате деятельности живого вещества, относятся к веществу биогенному (известняк, каменный уголь, и  пр.). В отдельную категорию выделяется биокосное вещество, представляющее собой комплекс взаимодействующих живого и косного вещества, примерами которого являются почвы, природные воды.

Живое вещество составляет примерно 0,01% от всей массы биосферы, но благодаря высокой химической и геологической активности, именно оно является основой биосферы, состав которой определяется совокупной деятельностью живых организмов в настоящем и прошлом.

Современная биосфера охватывает пространство, в котором живые организмы обитают в настоящее время. В то же время безжизненные скопления органических веществ и других соединений, образовавшихся при участии живых организмов в прежние геологические эпохи (залежи каменного угля, нефти, горючих сланцев, рудные образования, известняки и т.д.), относят к так называемым былым биосферам.

Биосфера включает нижнюю часть атмосферы (аэробиосферу), всю гидросферу (гидробиосферу) – океаны, моря, поверхностные воды суши, террабиосферу – поверхность самой суши, а также литосферу (литобиосферу) – верхние горизонты твердой земной оболочки. В пределах биосферы выделяют две категории слоев: собственно биосферу, где живое вещество локализовано постоянно (эубиосферу), а также расположенные выше и ниже ее соответственно парабиосферу и метабиосферу. В эти слои живые организмы могут попадать лишь случайно. Общая протяженность эубиосферы по вертикали – 12-17 км, хотя у разных авторов эти оценки несколько варьируют.

Верхней границей биосферы (включая парабиосферу) является озоновый экран (или слой).


Озоновый экран (озоносфера) – это слой атмосферы в пределах стратосферы, расположенный на разной высоте от поверхности Земли и имеющий наибольшую плотность (концентрацию молекул) озона на высоте 22-26 км.

Высота озонового слоя у полюсов оценивается в 7-8 км, у экватора – 17-18 км, а максимальная высота присутствия озона – 45-50 км. Выше озонового экрана существование жизни без специальной защиты невозможно из-за жесткого ультрафиолетового излучения Солнца.

Метабиосфера не опускается ниже 10-15 км, а нижней границей эубиосферы считаются донные отложения океана и верхние горизонты литосферы, подвергающиеся ныне (или подвергавшиеся в прошлом) воздействию живых организмов. К биосфере, например, относятся некоторые полезные ископаемые, в частности каменный уголь – продукт фотосинтеза растений в прошлые геологические эпохи. С учетом протяженности всех названных слоев по вертикали общая мощность биосферы оценивается в 33-35 км.

Процессы, протекающие в биосфере и обеспечивающие ее функционирование как глобальной экосистемы, связаны с активным обменом веществом и энергией между ее компонентами. В этой связи важное значение имеют особенности физико-химической среды биосферы, такие как значительное содержание в ней жидкой воды, наличие многочисленных поверхностей раздела между твердыми, жидкими и газообразными фазами, и наконец,  мощный поток солнечной энергии, проходящий через биосферу.

Чем отличается живое вещество от неживого и какую роль играет живое вещество на Земле?


  • Захват и запасание солнечной энергии в процессе фотосинтеза

  • Создание органического вещества и его перенос по планете

  • Концентрация химических элементов

  • Отложение органического вещества на длительный период (известняки, мел, каменный уголь, нефть, и так далее)

  • Окислительно-восстановительная активность (анаэробные и аэробные организмы)
  • Создание почвы и ее плодородного слоя


  • Санитарно-очистительная функция (разложение мертвых органических остатков)

Концентрация химических элементов организмами

Химические элементы

Содержание химического элемента в атмосфере. литосфере и гидросфере, %

Содержание химического элемента в телах организмов, %

Растения

Животные

Углерод

0,18

3,00

18,00

Азот

0,03

0,28

3,00

Кислород

50,02

79,00

65,00

Водород

0,95

10,00

10,00

Живое вещество – все количество живых организмов планеты как единое целое.

Ключевую роль во всех биосферных процессах играют живые организмы и сущность этих процессов раскрывается через функции живого вещества в биосфере, обусловленные его специфическими свойствами. К таким свойствам следует отнести способность быстро осваивать свободное пространство, способность к активному движению (против действующих сил), высокую приспособительную способность организмов к различным условиям, устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти, феноменально высокие скорости биохимических реакций в живых организмах и высокую скорость обновления живого вещества в биотическом круговороте. Все эти свойства живого вещества проистекают из концентрации в нем больших запасов энергии.


Современная классификация функций живого вещества (А.В.Лапо) выделяет десять основных функций.

1.   Энергетическая функция связана с запасанием энергии в процессе фотосинтеза, передачей ее по цепям питания, и рассеиванием.

2.   Газовая функция проявляется в способности изменять и поддерживать определенных газовый состав среды обитания и атмосферы в целом.

3.   Окислительно-восстановительная функция выражается в интенсификации под влиянием живого вещества процессов окисления и восстановления.

4.   Концентрационная функция заключается в способности живых организмах концентрировать в своем теле рассеянные химические элементы, поглощаемые из среды.

5.   Противоположная по результатам рассеивающая функция проявляется через питательную и транспортную деятельность организмов.

6.   Деструктивная функция состоит в разрушении организмами и продуктами их жизнедеятельности, в том числе после их смерти, как мертвого органического вещества, так и косных веществ.

7.   Транспортная функция выражается в переносе вещества в результате активной формы движения.

8.   Средообразующая функция является результатом совместного действия других функций и состоит в  преобразовании физико-химических параметров среды в условия, благоприятные для существования живых организмов.

9.   Средорегулирующая функция исключительно точной биотической регуляцией окружающей среды. Она задается высокой степенью замкнутости биотического круговорота – равенством скоростей синтеза и распада органических веществ.

10.                 Информационная функция живого вещества биосферы. Именно с появлением первых примитивных живых существ на планете появилась и активная («живая») информация, отличающаяся от той «мертвой» информации, которая является простым отражением структуры. Организмы оказались способными к получению информации путем соединения потока энергии с активной молекулярной структурой, играющей роль программы. Способность воспринимать, хранить и перерабатывать молекулярную информацию совершила опережающую эволюцию в природе и стала важнейшим экологическим системообразующим фактором.


Распределение живого вещества по планете


Показатель

Суша

Океан

Площадь

149 х 109 км2 (29%)

361 х 109 км2 (71%)

Биомасса

2420 х 109 т (99,87%)

3,2 х 109 т (0,13%)

Растения

99,2%

6,3%

Животные

0,8%

93,7%



Энергетическая функция – основа фотосинтез, отсюда обеспечение всех жизненных процессов на Земле

Газовая функция – формирование газового состава биосферы

Концентрационная функция – накопление и извлечение живыми организмами биогенных элементов из окружающей среды, отсюда использование для построения тела

Окислительно-восстановительная функция – химическое превращение веществ

Деструкционная функция – разложение остатков мертвых организмов, отсюда превращение живого вещества в косное

Продуктивность различных экологических систем различна. Зависит от климатических факторов -> обеспеченности теплом и влагой.

  • Низкая продуктивность – 0,1…0,5 г/м2 в сутки характерна для зоны пустынь и для арктического пояса

  • Средний уровень продуктивности – 0,5 … 3 г/м2 в сутки характерен для тундры, лугов, полей и некоторых лесов умеренной зоны
  • Высокий уровень продуктивности – более 3 г/м2 в сутки характерен для экосистем тропических лесов, для пашни, морских мелководий.


Превращение энергии в биосфере - «Экология» под редакцией Денисова, страница 136, рисунок 5.2

Продуценты – производители продукции, которой потом питаются все остальные организмы (наземные зеленые растения)

Консументы – потребители органических веществ

Редуценты (деструкторы) – восстановители. Возвращают вещества снова в неживую природу, разлагая органику.

Биогеохимические циклы в биосфере

Биогеохимический цикл - циркуляционное движение неорганических веществ и химических элементов между биоценозом и биотопом.

Составные части БГХЦ

Геологический круговорот веществ – это многократно повторяющийся процесс совместного, взаимосвязанного превращения и перемещения веществ в природе, имеющий более или менее цикличный характер

Биологический круговорот веществ:

  • аккумуляция элементов в живых организмах;

  • минерализация в результате разложения мертвых организмов.

Макроэлементы

Необходимы организмам в больших количествах: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, калий, магний, кальций, сера.

Микроэлементы

Необходимы в ничтожных количествах. Это большинство элементов периодической системы.

Основные понятия

Оборот - отношение пропускания к содержанию

Скорость оборота - это та часть общего количества данного вещества в данном компоненте экосистемы, которая освобождается или поглощается за определенное время

Время оборота - это время, необходимое для полной смены всего количества этого вещества в данном компоненте экосистемы

С точки зрения существования биосферы биогеохимические циклы делят на:

  • круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере;

  • осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.


Геологический круговорот


Биологический круговорот


Техногенный круговорот



Как происходит круговорот веществ в природе?

Важным свойством биосферы является наличие в ней механизмов, обеспечивающих круговорот веществ и связанную с ним неисчерпаемость отдельных химических элементов, а также  непрерывность биосферных процессов.

Круговоротами называются повторяющиеся процессы превращения и перемещения веществ в природе, имеющие более или менее выраженный циклический характер.

Круговороты веществ и элементов отражают неразрывную связь геологических и биологических процессов в биосфере. Выделяют два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический).

Большой круговорот  происходит в течение сотен тысяч или миллионов лет. Горные породы подвергаются разрушению и выветриванию; продукты выветривания, в том числе растворенные в воде минеральные  питательные вещества, сносятся потоками воды в мировой океан. В океане эти вещества образуют морские напластовывания, а также частично возвращаются на сушу с атмосферными осадками и с живыми организмами. Крупные медленные геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна, приводят к возвращению морских отложений на сушу, после чего процесс проходит новый цикл.

Малый круговорот является частью большого круговорота и представляет собой процесс непрерывного создания и деструкции органического  вещества в экосистемах в результате взаимосвязанного функционирования живых организмов.

Закономерный круговорот химических соединений отдельных элементов и осуществляется в ходе совместной деятельности различных живых организмов. Он включает введение химических элементов в состав живых клеток, химические превращения веществ в процессах метаболизма, выведение в окружающую среду и деструкцию органических веществ с последующей их минерализацией. Высвобождающиеся минеральные вещества вновь включаются в биологические циклы. Процессы круговорота происходят в конкретных экосистемах, но в полном виде реализуются только на уровне биосферы в целом.


Обмен веществ между живыми и неживыми компонентами биосферы изучает биогеохимия. Круговороты химических элементов из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии называются биогеохимическими циклами.

В каждом круговороте выделяют две части: резервный фонд и подвижный (обменный) фонд. В резервный фонд входят медленно движущиеся вещества, в основном небиологический компонент. Для обменного фонда характерен быстрый обмен между организмами и окружающей средой.  Сравнительные объемы подвижных и резервных фондов имеют значение с точки зрения оценки антропогенной нагрузки на биосферу, так как изменению более подвержены малообъемные фонды.

Биогеохимические циклы разделяют на круговороты газов с резервным фондом в атмосфере и гидросфере и осадочные круговороты с резервным фондом в земной коре.

Благодаря наличию крупных атмосферных и океанических фондов в круговоротах газообразных веществ – углерода, азота, кислорода – довольно быстро компенсируются  возможные нарушения. Эти круговороты «забуферены» и в этом отношении являются саморегулирующими системами. В осадочных циклах (фосфор, железо и др.) механизмы саморегуляции работают гораздо хуже и легко нарушаются, так как основная масса веществ в осадочных циклах находится в малоподвижном резервном фонде в земной коре.

В качестве примеров круговорота веществ в биосфере рассмотрим биогеохимические циклы важнейших биогенных элементов: углерода, азота, фосфора.

Круговорот углерода


В основе биогенного круговорота углерода лежит неорганическое вещество – диоксид углерода. В природе СО2 входит в состав атмосферы, а также находится в растворенном виде в гидросфере.

Включение углерода в состав органического вещества происходит в процессе фотосинтеза, в результате которого на основе углекислого газа и воды  образуются сахара. В дальнейшем, другие процессы биосинтеза преобразуют их в более сложные органические вещества. Эти соединения формируют ткани фотосинтезирующих организмов и служат источником органических веществ для животных.


В процессе дыхания все организмы окисляют сложные органические вещества в конечном итоге до СО2, который выводится во внешнюю среду, где может вновь вовлекаться в процесс фотосинтеза. Углеродсодержащие органические соединения тканей живых организмов после их смерти подвергаются биологическому разрушению организмами-редуцентами, в результате чего углерод в виде Н2СО3 вновь поступает в круговорот.

При определенных условиях разложение накапливаемых мертвых остатков в почве идет замедленным темпом через образование гумуса, минерализация которого под воздействием грибов и бактерий происходит с низкой скоростью. В некоторых случаях цепь разложения органического вещества бывает неполной. В частности, деятельность организмов-деструкторов может подавляться недостатком кислорода или повышенной кислотностью. В этом случае органические остатки накапливаются в виде торфа, углерод не высвобождается и круговорот приостанавливается. Аналогичным образом в прошлые геологические эпохи происходило образование каменного угля и нефти. Сжигание ископаемого топлива в настоящее время возвращает углерод, выключенный ранее из круговорота, в атмосферу. В гидросфере приостановка круговорота углерода связана с включением СО2 в состав СаСО3 в виде известняков. В этом случае углерод выключается из круговорота на целые геологические эпохи до поднятия органогенных пород над уровнем моря. Тогда круговорот возобновляется через выщелачивание известняков атмосферными осадками, а также биогенным путем под воздействием лишайников, корней растений.

Круговорот азота

Главный источник азота органических соединений – газообразный азот N2 в составе атмосферы.  Молекулярный азот не усваивается живыми организмами. Переход его в доступные живым организмам соединения (фиксация) может происходить несколькими путями. Фиксация азота частично происходит в атмосфере, где при грозовых разрядах образуется оксид азота (II), который окисляется до оксида азота (IV),  с последующим образованием  азотной кислоты и нитратов, выпадающих на поверхность Земли с атмосферными осадками.


Наиболее важной формой фиксации азота является ферментативная фиксация в процессе жизнедеятельности сравнительно немногих  видов организмов-азотфиксаторов. Отмирая, они обогащают среду органическим азотом, который быстро минерализуется. Наиболее эффективна фиксация азота, осуществляемая бактериями, формирующими симбиотические связи с бобовыми растениями. В результате их деятельности в наземных и подземных органах растений (например, клевера или люцерны) за год накапливается азота до 150-400 кг на 1 га.  Азот связывают также свободноживущие азотфиксирующие почвенные бактерии, а в водной среде – сине-зеленые водоросли (цианобактерии). Все азотфиксаторы включают азот в состав аммиака (NH3), и он сразу же используется для образования органических веществ, в основном для синтеза белков.  Минерализация азотсодержащих органических веществ редуцентами происходит в результате  процессов аммонификации и нитрификации. Аммонифицирующие бактерии в процессе биохимического разложения мертвого органического вещества переводят азот органических соединений в аммиак, который в водном растворе образует ионы аммония (NH4+). В результате деятельности нитрифицирующих бактерий в аэробной среде аммиак окисляется в нитриты (NO2-), а затем в нитраты (NO3-).

Большинство растений получают азот из почвы в виде нитратов. Поступающие в растительную клетку нитраты восстанавливаются до нитритов, а затем до аммиака, после чего азот  включается в состав аминокислот, составляющих белки. Часть азота растениями усваивается непосредственно в виде ионов аммония из почвенного раствора.

Животные получают азот по пищевым цепям прямо или опосредованно от растений. Экскреты и мертвые организмы, составляющие основу детритных пищевых цепей, разлагаются и минерализуются организмами-редуцентами, превращающими органический азот в неорганический.

Возвращение азота в атмосферу происходит в результате деятельности бактерий-денитрофикаторов, осуществляющих в анаэробной среде процесс, обратный нитрификации, восстанавливая нитраты до свободного азота.


Значительная часть азота, попадая в океан (в основном со стоком вод с континентов), используется водными фотосинтезирующими организмами, прежде всего фитопланктоном, а затем, попадая в цепи питания животных, частично возвращаются на сушу с продуктами морского промысла или птицами. Небольшая часть азота попадает в  морские осадки.

Круговорот фосфора


В круговороте фосфора, в отличие от круговоротов углерода и азота, отсутствует газовая фаза. Фосфор в природе в больших количествах содержится в минералах горных пород и попадает в наземные экосистемы в процессе их разрушения. Выщелачивание фосфора осадками приводит к поступлению его в гидросферу и соответственно в водные экосистемы. Растения поглощают фосфор  в виде растворимых фосфатов из водного или почвенного раствора и включают его в состав органических соединений – нуклеиновых кислот, систем переноса энергии (АДФ, АТФ), в состав клеточных мембран. Другие организмы получают фосфор по пищевым цепям. В организмах животных фосфор входит в состав костной ткани, дентина.

В процессе клеточного дыхания происходит окисление органических соединений, содержащих фосфор, при этом органические фосфаты поступают в окружающую среду в составе экскретов. Организмы-редуценты минерализуют органические вещества, содержащие фосфор, в неорганические фосфаты, которые вновь могут быть использованы растениями и, таким образом, снова вовлекаться в круговорот.

Поскольку в круговороте фосфора отсутствует газовая фаза, фосфор как и другие биогенные элементы почвы, циркулирует в экосистеме лишь в том случае, если отходы жизнедеятельности откладываются в местах поглощения данного элемента. Нарушение круговорота фосфора может происходить, например, в агроэкосистемах, когда урожай вместе с извлеченными из почвы биогенами перевозится на значительные расстояния,  и они не возвращаются в почву в  местах потребления.

После неоднократного потребления фосфора организмами на суше и в водной среде, в конечном итоге он выводится в донные осадки в виде нерастворимых фосфатов. После поднятия осадочных пород над уровнем моря в ходе большого круговорота вновь начинают действовать процессы выщелачивания и бигенного разрушения.


Внесение фосфорных удобрений, представляющих собой продукты переработки осадочных пород, позволяет восполнить потребленный фосфор в регионах с интенсивным сельскохозяйственным производством.  Однако, смыв удобрений с полей, а также поступление в водоемы фосфатов с продуктами жизнедеятельности животных и человека может приводить к перенасыщению водных экосистем фосфатами и нарушению в них экологического равновесия.
Цикл азота

Цикл серы

Цикл фосфора


Выявить закономерности распределения биогеоценозов на Земле
По Одуму:

Мировой океан


  • глобальность размеров и огромные глубины, освоенные жизнью

  • непрерывность

  • постоянная циркуляция воды

  • господство разных волн и приливов

  • соленость

  • наличие растворенных биогенных элементов

Эстуарии и морские побережья

Ручьи и реки

Озера и пруды

Пресноводные болота

Педосфера (почва)

Лес

Пустыни

Тундры

Травянистые ландшафты

Разные климатические зоны