Часть синтезированного органического вещества растения или другие продуценты используют для поддержания собственной жизнедеятельности, т.е. расходуют в процессе дыхания. Если из валовой первичной продукции вычесть органическое вещество, израсходованное на дыхание продуцентов, то получим чистую первичную продукцию. Она доступна гетеротрофом (консументам и редуцентам), которые, поедая органическое вещество, синтезированное автотрофами, создают вторичную продукцию.
Поскольку консументы лишь используют ранее созданные органические вещества, вторичную продукцию на валовую и чистую не разделяют. Но ее количество также зависит от расходов на дыхание, которые тем больше, чем больше энергии затрачивает организм. При интенсивной физической нагрузке (например, у птиц во время миграции) вторичная продукция уменьшается.
Чистая продуктивность сообщества подразумевает скорость накопления органического вещества в экосистеме, т.е. если из чистой первичной продукции вычесть затраты на дыхание гетеротрофов, мы получим продуктивность сообщества. Продуктивность экосистемы - это важная характеристика сообщества, и она является показателем его стабильности. Системы с быстрым ростом, например, поле кормовой травы, обычно характеризуется высокой чистой первичной продукцией и если они защищены от консументов, то и высокой продуктивностью сообщества. В сообществах в стационарном состоянии вся валовая первичная продукция обычно расходуется на дыхание автотрофов и гетеротрофов, так что к концу годового цикла чистая продуктивность сообщества очень невелика или ее не остается совсем.
Понятие о биогеоценозе. Структура биогеоценоза.
Понятию экосистема соответствует понятие биогеоценоз, между которыми есть различия. Учение о биогеоценозе разработал академик В.Н Сукачев в 1942 году. Биогеоценоз - исторически сложившийся комплекс взаимосвязанных видов или популяций разных видов, обитающих на определенной территории с более или менее однородными условиями существования.
Элементарной структурной единицей биосферы является биогеоценоз. Это понятие ввел впервые академик В.Н.Сукачев, разрабатывая учение о биогеоценозе. Он дал следующее определение биогеоценозу: « Биогеоценоз - это совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений (атмосферы, горной породы, растительности, животного мира и мира микроорганизмов, почвы и гидрологических условий), имеющая свою особую специфику взаимодействий этих слагающих ее компонентов и определенный тип обмена веществом и энергией их между собой и с другими явлениями природы и представляющая собой внутреннее противоречивое диалектическое единство, находящееся в постоянном движении и развитии».
Биогеоценоз состоит из ряда компонентов, взаимообуславливающих существование друг друга:
Сообщества растительных организмов - фитоценоза
Сообщества животных организмов (беспозвоночных и позвоночных), обитающих в почве и надпочвенной среде - зооценоза
Микроорганизмов (бактерий, актиномицетов, дрожжей и т.д.), живущих в почве, в воздушной и водной среде - микробоценоза.
Эти три тесно связанных между собой биологических компонента биогеоценоза образуют единство более высокого ранга - биоценоз.
Почвенного покрова с подпочвенными слоями и почвенно-грунтовыми водами - эдафотопа.
Атмосферы, содержащей биогенные газы, атмосферную влагу и такие факторы внешней среды как освещенность, температуру, давление, радиацию и др. - климатопа.
Последние два компонента биогеоценоза - эдафотоп и климатоп - тесно взаимодействуют друг с другом и образуют систему, называемую экотопом.
Все перечисленные компоненты любого биогеоценоза тесно связаны между собой единством и однородностью территории, общим потоком энергии, обменом и круговоротом биогенных химических элементов, сезонными изменениями климатических условий, трофическими отношениями, численностью и взаимной приспособленностью многообразных видовых популяций организмов.
Лекция 4 Биосфера - глобальная экосистема
План лекции:
Понятие о биосфере. Границы и состав биосферы.
Живое вещество биосферы и его функции.
Понятие о ноосфере.
Понятие о биосфере. Границы и состав биосферы.
Австрийский геолог Э.Зюсс в 1875 году для обозначения особой оболочки Земли, образованной совокупностью живых организмов, предложил использовать термин «биосфера», что соответствует биологической концепции биосферы. Биосферой называют оболочку Земли, которая населена и активно преобразуется живыми существами. Согласно В.И.Вернадскому, биосфера - это такая оболочка, в которой существует или существовала в прошлом жизнь и которая подвергалась или подвергается воздействию живых организмов. В.И.Вернадский придал концепции биосферы биогеохимический смысл, он развил учение о биосфере как глобальной системе нашей планеты, в которой основной ход геохимических и энергетических превращений определяется живыми организмами, и распространил понятие биосферы на среду обитания живых организмов.
Границы биосферы определяются областью распространения организмов в атмосфере, гидросфере и литосфере. Верхняя граница биосферы определяется озоновым слоем и расположена примерно на высоте 15-18 км. Следовательно, живые организмы расселены в основном в тропосфере. Лимитирующим фактором расселения в этой среде является нарастающая с высотой интенсивность ультрафиолетовой радиации. В гидросферу биосфера проникает на всю глубину Мирового океана - более 11 км. В литосфере границы биосферы достигают более 4 км, где в нефтяных пластовых водах существуют нефтеокисляющие бактерии.
Атмосфера - газовая оболочка Земли, в состав которой входят азот, кислород, аргон и углекислый газ а также другие газы в очень малых количествах. Наибольшее значение для биологических процессов имеют кислород, используемый для дыхания организмов и минерализации омертвевшего органического вещества, углекислый газ, расходуемый при фотосинтезе, а также озон, экранирующий земную поверхность от жесткого ультрафиолетового излучения. Атмосферу делят на ряд слоев.
Гидросфера - водная оболочка Земли, в состав которой входят поверхностные и подземные воды, почвенная влага, ледники и парообразная влага. Вода является важной составной частью всех компонентов биосферы и одним из необходимых факторов существования живых организмов.
Литосфера - твердая или каменная оболочка Земли, в состав которой входит земная кора и верхняя часть мантии Земли. Биосфера охватывает верхнюю часть земной коры. Основная масса организмов, обитающих в пределах литосферы, сосредоточена в почвенном слое. Почвы представлены минеральными веществами, образующимися при разрушении горных пород, и органическими веществами - продуктами жизнедеятельности организмов.
Биосфера включает:
живое вещество, образованное совокупностью организмов. Для живого вещества характерно шесть основных функций.
биогенное вещество, которое создается и перерабатывается в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, каменный уголь, нефть, сланцы, известняки и др.,)
косное вещество, которое образуется без участия живых организмов (продукты тектонической деятельности, метеориты);
биокосное вещество, представляющее собой совместный результат жизнедеятельности организмов и абиогенных процессов (почвы, природные воды).
Таким образом, к современной биосфере относится вся совокупность живых организмов и все вещества литосферы, гидросферы и атмосферы, которые находятся под контролем потребления, трансформации и продуцирования живыми организмами.
Фотосинтез, до работ В.И. Вернадского, рассматривался как собственно биологический процесс, как процесс самоподдержания жизни путем улавливания лучистой энергии Солнца. Фотосинтез является практически единственным на Земле процессом, в котором из бедных энергией неорганических веществ (углекислого газа, воды и минеральных солей) с помощью энергии солнечного света зелеными растениями в огромных масштабах образуются сложные, богатые энергией органические соединения.
Эти соединения, способные к разнообразным химическим превращениям, - основа для жизни всех других организмов биосферы. В.И.Вернадский показал, что благодаря фотосинтезу меняется весь облик Земли. Фотосинтез происходит практически на всей поверхности Земли и создает огромный геохимический эффект, который может быть выражен количеством массы углерода, ежегодно вовлекаемой в построение органического живого вещества всей биосферы. В результате фотосинтеза растительность земного шара ежегодно образует более 100 млрд.т. органического вещества, при этом они усваивают около 200 млн.т. СО2 и выделяют во внешнюю среду около 145 млн.т. свободного кислорода. Именно благодаря растениям на Земле началось бурное развитие различных форм жизни и активный обмен веществом и энергией между живой и неживой природой.
Живое вещество биосферы и его функции.
В. И. Вернадский, разрабатывая учение о биосфере, ввел в науку понятие «живое вещество». Под живым веществом понимается совокупность тел всех живых организмов, населяющих нашу планету. Живое вещество представлено биомассой растений, биомассой животных и биомассой микроорганизмов.
Химический состав живого вещества
В живом веществе определено около 80 химических элементов.
Главными элементами живого вещества планеты являются водород, углерод, кислород, азот, фосфор, сера, которые называются биофильными. Их атомы создают в живых организмах сложные молекулы в сочетании с водой и минеральными солями. Эти молекулярные постройки представлены углеводами, липидами, белками и нуклеиновыми кислотами.
Все перечисленные соединения живого вещества находятся в организме в тесном взаимодействии. Окружающий мир живых организмов биосферы представляет собой сочетание различных биологических систем разной структурной организации от крупных молекул до растений и животных различных организаций.
Основными функциями живого вещества являются: энергетическая, окислительно-восстановительная, газовая, концентрационная, деструктивная, транспирационная.
Лучистая энергия Солнца - главный источник энергии, определяющий тепловой баланс и термический режим биосферы Земли. В связи с движением Земли вокруг Солнца по эллиптической орбите интенсивность солнечного излучения, приходящаяся на поверхность Земли, изменяется в течение года в соответствии с изменением расстояния Земля-Солнце.
Минимальное расстояние Земли от Солнца (147 млн. км) — в начале января, а максимальное (152 млн. км) — в начале июля. Это изменение расстояния приводит к колебаниям суточного количества падающей энергии. При этом следует отметить, что Земля получает лишь 5 • 1040 долю общей излучаемой Солнцем энергии.
Главные источники и потоки энергии земной поверхности охватывают атмосферу, океан и поверхность суши. Из всего общего количества энергии, получаемого Землей, 33% отражается облаками и поверхностью суши, а также тонкодисперсной пылью в верхних слоях атмосферы. Эта часть составляет альбедо Земли. 67% энергии поглощается. атмосферой и земной поверхностью и после ряда превращений уходит в космическое пространство.
В связи с действием солнечной энергии и внутренней энергии Земли в биосфере совершается постоянный процесс движения и перераспределения вещества. В ней осуществляется массовый перенос твердых жидких и газообразных тел при различных температурах и давлениях. Главные химические элементы литосферы — О, Si, AI, Fe, Ca, Mg, Na, К участвуют в большом круговороте, который проходит различные стадии развития от глубинных частей верхней мантии до поверхности литосферы.
Нетрудно себе представить, что магматическая порода, возникшая при кристаллизации магмы, поступившей из глубин Земли, на поверхности литосферы подвергается разложению — выветриванию в области биосферы. При этом продукты выветривания — материал различной степени измельчения — переходит, естественно, в подвижное состояние. Материал выветривания сносится водами и другими агентами в пониженные места рельефа и в большей части попадает в море, в океан. За счет этого образуются мощные толщи осадочных горных пород, которые в ходе времени погружаются на большие глубины и в области повышенных температур и давления подвергаются метаморфизму и ультраметаморфизму - переплавлению.
При переплавлении возникает магма, которая в благоприятных условиях может снова поступить в верхние горизонты земной коры, где застывает в форме различных интрузивных тел. Затем все повторяется сначала. Таким образом в течение веков происходит глобальный круговорот вещества: магматическая порода - осадочная порода - метаморфическая порода - переплавление и новое образование магмы. Различные участки земной коры на поверхности планеты по существу представляют собой звенья этого глобального круговорота.
Учение о крупных геологических циклах было развито В.И.Вернадским.
Наиболее интенсивному и быстрому круговороту подвергаются легкоподвижные вещества - газы и природные воды, составляющие атмосферу и гидросферу планеты. Более медленный круговорот совершает материал континентов.
Важным свойством биосферы является наличие в ней механизмов, обеспечивающих круговорот веществ и связанных 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.
З.Понятие о ноосфере.
Название ноосфера происходит от греческого «ноос» - разум и обозначает, таким образом, сферу разума. Однако представление о ноосфере в настоящее время не является однозначным. Французский математик Э. Леруа в 1927 г. ввел понятие о ноосфере, подразумевая под этим современную геологическую стадию развития биосферы. Он отмечал, что пришел к такому представлению вместе со своим другом - геологом и палеонтологом П. Тейяром-де-Шарденом, который в дальнейшем разрабатывал собственные представления о ноосфере, изложенные им в книге «Феномен человека». В этой книге автор определил ноосферу как «новый покров», «мыслящий пласт», который, зародившись в конце третичного периода, разворачивается над миром растений и животных — вне биосферы и над ней.
Последнее издание книги П. Тейяра-де-Шардена вышло на русском языке в 1987 г. Он полагал, что эволюция человеческого рода идет по пути его консолидации, объединения и превращения в нечто единое целое, слияние его интеллекта с его волей. Будущее человечества обозначается им как «сверхжизнь».
В. И. Вернадский, развивая учение о биосфере, придавал понятию ноосферы глубоко научное содержание, которое должно нами учитываться в процессе перестройки среды и общества. В этом отношении ноосферу следует рассматривать как высшую стадию развития биосферы, связанную с развитием в ней человеческого общества, которое, познавая законы природы и развивая технику до самого высокого уровня ее возможностей, становится крупной планетарной силой, превышающей по своим масштабам все известные геологические процессы вместе взятые. При этом человечество оказывает решающее влияние на протекание всех процессов в биосфере, глубоко изменяя ее своим трудом. Научное и практическое значение деятельности В.И. Вернадского - основателя учения о биосфере состоит в том, что он впервые во всеоружии знаний своего времени глубоко обосновал единство человека и биосферы.
После трудов В.И.Вернадского накопился огромный материал по биосфере, по производственной деятельности человеческого общества. В связи с развитием производительных сил возникают новые по качеству круговороты вещества в биосфере по пути превращения ее в ноосферу. Основные их признаки заключаются в следующем:
Возрастание механически извлекаемого материала земной коры - рост разработки месторождений полезных ископаемых.
Сейчас он превышает 100 млрд. тонн в год, что в 4 раза больше массы материала, выносимого речным стоком в океан в процессе денудации суши. В геологическом круговороте резко возрастает звено денудации.
Происходит массовое потребление (сжигание) продуктов фотосинтеза прошлых геологических эпох.
В связи с этим в биосфере химическое равновесие смещается в сторону, противоположную глобальному процессу фотосинтеза, что неизбежно приводит к росту содержания углекислого газа в атмосфере и уменьшению содержания свободного кислорода. В связи с этим намечается увеличение парникового эффекта в атмосфере и, следовательно, изменение климата в сторону общепланетарного потепления.
Процессы в антропогенной биосфере приводят к рассеиванию энергии, а не ее накоплению, что было характерно для биосферы до появления человека.
Возникает важная энергетическая проблема, которая отчасти может быть решена путем создания искусственных фотосинтетических систем.
В биосфере в массовом количестве создаются вещества, ранее в ней отсутствовавшие, в том числе чистые металлы.
Из геохимического круговорота часть их выбывает — происходит антропогенная металлизация биосферы. В огромном количестве накапливаются промышленные отходы.
Появляются, хотя и в ничтожно малых количествах трансурановые химические элементы (плутоний и др.) в связи с развитием ядерной технологии и ядерной энергетики. Совершается освоение ядерной энергии за счет деления тяжелых ядер.
В перспективе возможно получение термоядерной энергии за счет синтеза легких ядер, что позволит отказаться от горючих полезных ископаемых в качестве источника энергии стационарных установок. Но в то же время создается огромная опасность катастрофического нарушения равновесия в биосфере, опасность радиоактивного заражения среды отходами ядерной энергетики.
Ноосфера выходит за пределы Земли в связи с прогрессом научно-технической революции.
Возникла космонавтика, обеспечившая выход человека за пределы родной планеты. Началось освоение космического — околосолнечного пространства с непредвиденными возможностями. Создается возможность создания искусственных биосфер на других планетах. Ноосфера в будущем займет большее пространство, чем биосфера до появления человека. В целом, в связи с образованием ноосферы, наша планета переходит в новое качественное состояние. Если биосфера - это сфера Земли, то ноосфера - это сфера Солнечной системы. Ноосфера в будущем станет особой областью Солнечной системы в познавательных и производственных целях человеческого общества.
Лекция 5. Глобальные экологические проблемы загрязнения атмосферы План лекции:
Виды загрязнения окружающей среды
Основные глобальные экологические проблемы современности.
Глобальное загрязнение атмосферы.
Виды загрязнения окружающей среды
Загрязнение - привнесение в окружающую среду физико-химических и биологических веществ, оказывающих вредное воздействие на природные экосистемы и человека.
Выделяют естественное загрязнение и антропогенное.
К основным типам загрязнения окружающей среды относятся: физическое, химическое и биологическое.
Все перечисленные виды загрязнений взаимосвязаны и каждый из них может явиться толчком для возникновения других видов загрязнений, например химическое загрязнение атмосферы может способствовать повышению вирусной активности, а следовательно биологическому загрязнению.
Объектами загрязнения служат основные компоненты экотопа: атмосфера, вода, почва, а также биоценоза - растения, животные, микроорганизмы.
Различают загрязнители, разрушаемые биологическими процессами и неразрушаемые (стойкие). Первые входят в естественные круговороты веществ и поэтому быстро исчезают, подвергаясь разрушению биологическими агентами. Вторые не входят в естественные круговороты веществ, передаются по пищевым цепям и накапливаются.
Таким образом, с экологической точки зрения загрязнением окружающей среды следует называть любое внесение в экосистему не свойственных ей живых или неживых компонентов или структурных изменений, прерывающих круговорот веществ, их ассимиляцию, поток энергии, вследствие чего данная экосистема разрушается иди снижается ее продуктивность.
2.Основные глобальные экологические проблемы современности.
К основным глобальным экологическим проблемам современности можно отнести проблемы, связанные с загрязнением атмосферы (парниковый эффект», разрушение озонового слоя Земли и выпадение кислотных осадков), загрязнение гидросферы (Мирового океана) и проблемы опустынивания земель и деградации лесов.
Загрязнение поверхностных вод связано с деятельностью промышленных предприятий, направляющих свои сбросы в водные объекты. Не менее интенсивно загрязняет гидросферу и современное сельское хозяйство с интенсивным внесением удобрений в почву и использованием средств защиты растений от вредителей, а также животноводство .Определенный вклад в общее загрязнение вод вносят и бытовые сбросы. Загрязнению поверхностных вод способствует значительное увеличение поверхностного стока и уменьшение инфильтрации, что вызвано развитием городов и сельского хозяйства, сведением лесов и опустыниванием.
Загрязняющие вещества, поступающие в воду, ведут себя по-разному в зависимости от их природы. Органические соединения природного происхождения быстро разрушаются микроорганизмами. При достаточном количестве кислорода проявляется активность аэробных микроорганизмов, питающихся органическими веществами .При этом образуются углекислый газ и вода, а также нитраты ,фосфаты, сульфаты и кислородные соединения других элементов, содержавшихся в исходных веществах. В отсутствие кислорода разложение органического вещества происходит в процессе жизнедеятельности анаэробных микроорганизмов, в результате образуется метан, аммиак, вода, углекислый газ, сероводород. Дефицит кислорода, а также образование токсичных продуктов реакций анаэробного окисления приводят к гибели большинства видов водной экосистемы.
Условия в водоеме, характеризующиеся низкими концентрациями фосфатов и нитратов и высоким содержанием растворенного кислорода, называются олиготрофными. Условия, соответствующие высоким концентрациям фосфатов и нитратов и низкому содержанию кислорода - эвтрофными. Переход от олиготрофных условий к эвтрофным рассматривается как процесс эвтрофизации водоема. Эвтрофизация представляет собой процесс старения водоема по мере поступления в него с поверхностным стоком наносов, содержащих частицы почвы и детрита. Процесс естественной эвтрофизации (эвтрофикации) происходит медленно и приводит к постепенному заболачиванию водоемов. Антропогенная эфтрофизация, вызываемая увеличением поверхностным стоком, смывом с полей минеральных удобрений, сбросом в водоемы неочищенных сточных вод, содержащих органические вещества, нитраты и фосфаты, отличается быстрыми темпами протекания и имеет характер экологического нарушения, приводящего к полной гибели водной экосистемы.
Существенные экологические проблемы возникают при попадании в водоемы устойчивых к разложению органических загрязняющих веществ, К ним относятся компоненты нефти и нефтепродуктов, соединения тяжелых металлов, а также многочисленные синтетические органические соединения.
Глобальное загрязнение атмосферы.
Поскольку атмосфера является непрерывной и наиболее подвижной частью биосферы, воздействие на нее множества рассредоточенных по поверхности Земли источников загрязнения, приобретает глобальный характер. Наиболее значимыми глобальными проблемами загрязнения атмосферы следует считать проблему «парникового эффекта», проблему разрушения озонового слоя Земли и проблему кислотных осадков.
Загрязнение воздуха - привнесение в атмосферный воздух или образование в нем физико-химических агентов и веществ, обусловленное как природными так антропогенными факторами. Естественными источниками загрязнения атмосферы служат внеземные (космическая пыль) и земные континентального и морского происхождения: извержения вулканов, пыльные бури, лесные пожары, выветривание, разложение живых организмов, испарения с поверхности морей. Особенно опасно воздействие катастрофических явлений природы, в частности извержение вулкана Кракатау в 1883 году Катмай (Аляска) в 1912 году, когда в атмосферу было выброшено 20 куб.км пепла. Пепел этих извержений распространился на большую часть поверхности и вызвал уменьшение притока солнечной радиации на 10-20%, что привело к понижению среднегодовой температуры воздуха в северном полушарии на 0,5 градуса. Аналогичные последствия имело извержение вулкана Пинатубо (Филиппины) в 1991 году, которое сопровождалось выбросом в атмосферу более 20 млн.т диоксида серы. Также источником запыленности атмосферы могут быть крупные лесные пожары.
Однако в последние десятилетия антропогенные факторы загрязнения воздуха стали превышать по масштабам естественные, приобретя глобальный характер. К основным источникам антропогенного загрязнения атмосферы относятся: промышленные предприятия, транспорт, теплоэнергетика, отопление жилищ, сельское хозяйство. По агрегатному состоянию все загрязняющие вещества подразделяются на твердые, жидкие и газообразные, причем последние составляют около 90% от общей массы выбрасываемых в атмосферу компонентов.
Загрязняющие вещества, поступающие в атмосферу непосредственно из источников, называются первичными загрязнителями. Загрязнители, образующиеся из первичных в результате химических превращений в атмосфере, называются вторичными.
|
