Материал: 1679

Лекция 1. Введение в общую экологию. Основные термины и понятия

1. Экология – это наука о взаимодействии живых организмов со средой их обитания.

Классическая экология выросла из биологии. Современная экология базируется на данных таких наук, как химия, физика, математика, геология, география и т.д.

2.Земля, как любая планета, имеет состоящую из нескольких частей оболочку. Оболочка Земли образована сферами. По направлению из космоса к центру Земли выделяют следующие сферы: атмосферу (воздушная оболочка Земли), гидросферу (водная оболочка), литосферу (земная кора) – внешние оболочки, а также мантию (внутреннюю оболочку) и ядро.

3.Примерно 3,4 – 4,5 млрд лет назад в оболочке Земли возникла тонкая жизненная пленка – биосфера. Биосфера (от лат. «биос» – жизнь) – область существования живых организмов. Это геологическая оболочка Земли вместе с населяющими ее живыми организмами: животными, растениями, микроорганизмами.

4.Эволюция биосферы – образование жизни из неживой материи. В настоящее время выделяют новое состояние, возникшее в результате эволюции биосферы, биотехносферу. Биотехносфера – новое состояние биосферы, возникшее в результате изменения природной среды человеком.

Человек при помощи разума должен сбалансировать процессы между обществом и средой. Тогда, согласно учению выдающегося русского ученого Владимира Ивановича Вернадского, произойдет постепенное превращение биосферы в ноосферу – сферу разума, высшую стадию развития биосферы, этап развития биосферы, характеризующийся разумным регулированием взаимоотношения человека и природы.

5.Элементарной структурной единицей биосферы является биогеоценоз. Биогеоценоз – это совокупность на определенном участке земной поверхности компонентов живой и неживой природы, обменивающихся веществом и энергией как между собой, так и с другими явлениями природы.

Экосистемой называется безразмерная устойчивая система живых и неживых компонентов природы, в которой осуществляется внешний и внутренний круговорот веществ и энергии.

6.В любом биогеоценозе можно выделить две составляющие:

1)совокупность факторов живой природы – биотоп, и экотоп – состав воздуха, почвы, рельеф местности и т.д.;

2)совокупность живых организмов, населяющих биотоп, – биоценоз.

Совокупность биогеоценозов образует биом – более крупную единицу биосферы. Биом – совокупность биоценозов, между которыми происходит интенсивный обмен веществом и энергией. Пр.: тайга, тундра.

7.В биосфере осуществляется непрерывный круговорот веществ и энергии. Органическое вещество на Земле образуется в основном зелеными растениями под воздействием солнечной энергии в процессе фотосинтеза. Фотосинтез – это химическая реакция образования органического вещества и свободного кислорода из простых неорганических веществ под воздействием энергии Солнца. При этом энергия солнечного излучения преобразуется в энергию химических связей, т.е. происходит накопление энергии в органическом веществе.

8.Органические вещества, образующиеся в процессе фотосинтеза, характеризуются высоким запасом внутренней энергии. Но эта энергия недоступна для непосредственного использования в реакциях, протекающих в живых тканях. Дыхание – это процесс, обратный фотосинтезу, при котором энергия органического вещества переводится в активную форму и может быть использована организмом.

9.Кроме растений, синтез органического вещества присущ некоторым бактериям. Хемосинтез – синтез органического вещества бактериями, сопровождающийся окислением простых неорганических веществ.

10. Не все живые организмы способны получать энергию непосредственно от Солнца. Живые организмы образуют цепи питания – трофические цепи (от лат. «трофе» – питаюсь). Перенос энергии пищи от ее источника – растений – через ряд организмов, происходящий путем поедания одних организмов другими, называется трофической (пищевой) цепью. По положению в трофической цепи организмы делятся на продуцентов, консументов и редуцентов.

Продуценты создают первичное органическое вещество, продуцируя его из неорганического. Консументы – это организмы, питающиеся созданным продуцентами органическим веществом. Редуценты перерабатывают отходы жизнедеятельности продуцентов и консументов, образуя замкнутый цикл органического вещества.

11. По трофической цепи происходит передача энергии Солнца от продуцентов к другим звеньям. При этом усваиваемая растениями энергия Солнца переходит в энергию связей органического вещества. Организмыпотребители (консументы) питаются органическим веществом продуцентов и усваивают энергию их органического вещества, часть которой расходуется на построения собственного органического вещества, а часть рассеивается в процессах дыхания, теплообмена, движения и т.д. При помощи пищевых цепей в экосистеме образуется непрерывный поток

энергии. В процессе этого некоторая часть энергии рассеивается (теряется) в виде тепла, поэтому необходима постоянная компенсация рассеянной энергии от Солнца.

12. В процессе жизнедеятельности живых организмов в экосистеме создается и расходуется живое (органическое) вещество. Продуктивность экосистемы – это масса живого вещества, образованного в единицу времени на единице поверхности. Выделяют первичную продуктивность – продуктивность продуцентов, вторичную продуктивность – консументов. Первичная продуктивность продуцентов 0,5 % от количества солнечной энергии. Вторичная продуктивность (масса растительноядных) будет еще ниже, составлять всего 1 % от первичной. При дальнейшем перемещении по трофической цепи происходит дальнейшее снижение энергии. Поэтому на 1 кг веса растительноядного животного расходуется около 70–90 кг травы.

13. Продуктивность измеряется в единицах энергии, массы или в числах (количестве животных). Графическое отображение соотношения продуктивности различных звеньев трофической цепи представляет собой пирамиду. Различают пирамиды массы, энергии и чисел.

Массы: 80 000 кг растений 1000 кг говядины 50 кг чел.

Энергии: 2 109кДж солнечной энергии 107кДж растений(0,05 %)105кДж говядины 103кДж чел.

Чисел: 3 107(30 млн) травинок 3 коровы 1 чел.

Для человека энергетически более выгодно растительное питание и наиболее дорого использование в пищу хищных видов. Так, с энергетической точки зрения 1 кг окуня или щуки обходится природе в 7 раз дороже, чем 1 кг говядины. Отсюда видно преимущество традиционного разведения растительноядных видов (свиньи, куры, коровы). У них перевод энергии пищи в собственную биомассу выше, чем

ухищников.

14.Если бы не было круговорота веществ, то постепенно все ресурсы неорганических веществ перешли бы в массу мертвой органики. Этого не происходит, так как все химические элементы циркулируют в биосфере по

характерным путям из внешней среды в организм и опять во внешнюю среду. Выделяют следующие виды круговоротов:

а) большой (геологический) круговорот длится сотни тысяч или млн лет. Включает процессы разрушения горных пород, выветривания продуктов, снесение их потоками в Мировой океан, образование морских пластов, лишь частично возвращаемых на сушу с осадками, с извлекаемыми водными организмами, крупные медленные процессы опускания материков и поднятия морского дна, перемещение морей и

океанов, сопровождающееся возвращением пластов на сушу и повторением процессов.

Вещества, вовлеченные в геологический круговорот, находятся в резерве по отношению к живым организмам, т.е. составляют резервный фонд. «Резервный фонд» – большая масса медленно движущегося вещества, вовлеченного в геологический круговорот и не связанного с живыми организмами;

б) малый (биогеохимический) круговорот – часть большого на уровне биогеоценоза: питательные вещества почвы, вода, углерод

Минеральные

Редуценты

вещества

Рис.1. Схема трофической цепи

Скорость биотического круговорота в сотни тысяч и млн раз больше, чем геологического, т.к. все биологические превращения катализируются ферментами, которые в сотни тысяч и млн раз активнее неорганических катализаторов. Вещества, вовлеченные в малый круговорот, доступны живым организмам и составляют «обменный фонд» – сравнительно небольшое количество вещества, для которого характерен быстрый обмен между организмами и окружающей средой.

Круговорот углерода: углеродный скелет является основой всех органических веществ. Резервом углерода являются минеральные отложения (карбонаты и ископаемые виды топлива) и небольшой, но активный фонд в атмосфере (СО2).

Рис. 2. Схема круговорота углерода

Диоксид углерода в атмосфере участвует в процессе фотосинтеза, обеспечивая накопление солнечной энергии в биосфере. При этом постоянно возникают и распадаются сложные органические соединения углерода.

В соответствии со схемой на рис. 2 углекислый газ атмосферы извлекается растениями в процессе фотосинтеза (1) и через пищевые цепи в процессе питания (2) углерод попадает в организм животных. Дыхание растений и животных и тление останков постоянно возвращает атмосфере и водам океана громадные массы углерода в виде углекислого газа (3,4). Частично углерод выходит из круговорота при минерализации останков растений (5) и животных (6) (некоторые организмы, погребенные в осадках, накапливаются в форме ископаемых компонентов), а также за счет образования горных пород (7). Различные свободно протекающие процессы (извержение вулканов, газовые источники) ведут к обратному переходу углерода из минералов в атмосферу (8).

Человек истощает ресурсы, т.к. добывает и безвозвратно теряет больше, чем возвращает в оборот. При этом круговороты становятся несовершенными и часто теряют цикличность. Сам человек все больше страдает от сложившейся противоестественной ситуации: в одних местах возникает нехватка, а в других – избыток каких-либо веществ, возникает недостаток природных ресурсов и загрязнение среды. При этом человека можно рассматривать как мощный геологический фактор. Усилия по охране природных ресурсов в конечном счете направлены на то, чтобы превратить ациклические процессы в циклические. Основной целью в этой связи должно стать возвращение вещества в круговорот, обеспечивающее их повторное использование.

Лекция 2. Взаимодействие живых организмов со средой их обитания

15. Термодинамика процессов живой природы. Негэнтропия.

Из второго закона термодинамики также следует, что самопроизвольно происходят только процессы, сопровождающиеся рассеянием энергии и увеличением энтропии – меры беспорядка ( S 0).

Важнейшим свойством живых организмов является способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, т.е. состояние с низкой энтропией. Живые организмы способны бороться против уравновешивающих сил природы. Они увеличивают собственную упорядоченность, образуя из простых веществ сложные. Живые организмы способны выполнять работу против уравновешивания с внешней средой за счет образования сложных веществ из простых, т.е. повышения