Характеристика экосистем

1. Характеристика экосистем.

 

     Наша планета  Земля – уникальное явление  в солнечной системе и известных  галактиках. По современным представлениям  Земля возникла 4,5 млрд. лет назад,  а жизнь на Земле существует 3,5 млрд. лет. До сих пор история  возникновения жизни на Земле находится на стадии гипотез. Одни ученые говорят о возможности возникновения и развития органической жизни из неорганической материи за счет условий, сложившиеся на Земле, другие – не исключают возможность занесения жизни на нашу планету из космоса.

     Современная  жизнь во всем ее многообразии  развилась в результате длительной  эволюции.

     В 1875 г.  профессор Венского университета  Э. Зюсс ввел в науку понятие биосфера. Биосфера ( от греч. “bios” – жизнь, “sfera” – шар ) – сфера существования живых организмов, включающая части атмосферы, гидросферы и литосферы.

     Современное  учение о биосфере создано  В.И. Вернадским. Биосферой он называл 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.

     Толщина  биосферы достигает 40-50 км. Она  Включает часть атмосферы до  высоты 20-25 км (до озонового слоя), практически всю гидросферу (11 км) и литосферу – до 4 км.

     В состав биосферы, кроме живого вещества – растений, животных и микроорганизмов, входят: биогенное вещество – продукт жизнедеятельности живых организмов – осадочное породы органического происхождения ( нефть, каменный уголь, торф, карбонаты и др.); косное вещество – горные породы магматического происхождения, космическая пыль, минералы, вода и др., и биокосное вещество – продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами       ( почва, природная вода и др.).

     Итак, биосфера – это система с прямыми и обратными связями ( отрицательными и положительными ), которые обеспечивают ее функционирование и устойчивость.

      Биосфера – открытая система, она не может существовать без поступления энергии извне.

     Биосфера – саморегулирующаяся  система, для которой характерна организованность.

     Биосфера – система, характеризующаяся  большим разнообразием, а разнообразие – основное условие устойчивости любой экосистемы и биосферы в целом ( закон У.Р. Эшби ).

     Биосфера имеет механизм, обеспечивающий  круговорот веществ, а следовательно, неисчерпаемость отдельны химических элементов и их соединений. Только благодаря круговоротам обеспечивается непрерывность процессов в биосфере.

     В середине XIX века ученые систематизировали принципы взаимодействия растений и животных между собой, а также и с окружающей средой. Эту область биологии Э. Геккель (1866 г.) назвал экологией ( от греч. oicos – дом, logos – наука ). В настоящее время понятие экология более широкое – это наука о взаимодействии живых организмов между собой и с окружающей их средой. Принципы экологии применимы и к человеку, причем в глобальных масштабах. Эту составляющую экологии назвали наукой об окружающей среде.

     Окружающая среда – совокупность факторов живой и неживой природы, прямо или косвенно воздействующих на организм. Различают биотические и абиотические факторы.

     Биотические факторы ( факторы живой природы ) -  это влияние одних    организмов или сообществ на другие.

     К биотическим относятся: фитогенные (растительные организмы); зоогенные (животные); микробиогенные (вирусы, простейшие, бактерии) и антропогенные (деятельность человека) факторы.

     Абиотические (или физико-химические) – факторы неживой природы.

     К абиотическим факторам относятся: климатические (свет, температура, влажность, движение воздушных масс, давление); структурные (механический состав, плотность, воздухопроницаемость, влажность); орографические (рельеф, высота над уровнем моря), химические (состав воздуха и воды, кислотность и состав почвы).

     Антропогенные факторы, в силу их более значительного влияния на окружающую среду, выделяют в отдельную – третью группу факторов. Антропогенные факторы – это те формы деятельности человека , которые воздействуют на естественную природную среду, изменяя условия обитания живых организмов, или непосредственно влияют на отдельные виды растений и животных.

     Биоценоз – совместно обитающие популяции всех живых организмов на определенной территории.

     Биотоп – природное, жизненное пространство, занимаемое определенным биоценозом. Это понятие включает не только вещества, но и физико-химические факторы (температуру, освещенность, химический состав и т.д.).

     Например, в экосистеме «озеро» к биотопу можно отнести: воду, донные отложения, а к биоценозу – фитопланктон, зоопланктон, рыб и т.д. На суше биотоп включает не только минеральные элементы почвы, но и микроорганизмы, живущие в ней и участвующие в круговороте простых веществ.

     Биотоп  и соответствующий ему биоценоз образуют экологическую систему. Экосистемы могут быть различны по размеру: капля воды, лес, пень, озеро. Экосистемы – безразмерные, устойчивые системы живых и неживых компонентов, в которых совершаются внешний и внутренний круговороты веществ и энергии.

     Между экосистемами  существует связи, но всегда  мене важные, чем между организмами  внутри системы.

     Близким  понятием «экосистеме» является  «биогеоценоз».

     Биогеоценоз – это совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений (атмосфера, горных пород, растительности, животного мира, микроорганизмов), имеющая свою особую специфику взаимодействия слагающих ее компонентов и определенный тип обмена веществом и энергией. Внешние границы биоценозов чаще всего совпадают с границей растительных сообществ.

     Естественные экосистемы (биогеоценозы) стабильны и существует длительное время. Состояние подвижно-стабильного равновесия экосистемы носит название гомеостаза.

     В естественных экосистемах гомеостаз поддерживается тем, что они открыты, т.е. постоянно обмениваются веществом и энергией с окружающей средой. В антропогенных, созданных под влиянием человека, системах, для поддерживания гомеостаза необходимо вмешательство (управление) людей.

     Несмотря на то, что естественные экосистемы находятся в состоянии гомеостаза, под действием внешних факторов они претерпевают медленные изменения во времени. Такая последовательность смена одного биоценоза другим носит название сукцессии. Например, заброшенную пашню сначала осваивали травянистые растения, затем кустарники, светолюбивые деревья (березы), а потом хвойные деревья.

     Все живые  организмы существуют в форме  популяций.

     Популяция – совокупность особей данного вида, в течение длительного времени населяющих определенную область географического пространства, связанных между собой определенными взаимоотношениями и приспособленных к жизни в условиях данного места обитания (биотопа). Воздействуя на биоценоз, человек воздействует не на отдельные организмы (особи), а на всю популяцию в целом.

     В каждой экосистеме есть два основных компонента: организмы и факторы окружающей их неживой среды. Всю совокупность организмов (растений, животных, микробов) называют биотой экосистемы.

     Следовательно, изменение любого биотического или абиотического фактора неизбежно приведет в действие цепную реакцию с далеко идущими последствиями.

     Несмотря  на большое разнообразие экологических  факторов, при их воздействии  на организмы выделяются общие  закономерности.

 

Закон толерантности  или оптимума.

 

     Каждый  фактор имеет лишь определенные  пределы положительного влияния  на организм. Недостаточное или  избыточное значение фактора  отрицательно сказывается на  жизни особей.

     Совокупность  экологических факторов, наиболее благоприятно влияющих на жизнедеятельность организма или вида, называется зоной оптимума или зоной экологического комфорта. В этой зоне организмы дают наивысшую продуктивность. Зона пессимума или стресса – это условия, при которых жизнедеятельность организмов максимально угнетена, и они с трудом могут существовать. И, наконец, существуют летательные (смертельные) пределы экологического фактора, когда организм уже существовать не может. Такая кривая называется кривой толерантности (от греч. толеранция – терпение). Толетарность может изменяться, если организм попадает в другие условия, организм приспосабливается к условиям (адаптируется).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II     Круговороты веществ в окружающей среде.

 

     Живое вещество  состоит из множества химических элементов. Из них преобладают три: кислород (70%), углерод(18%) и водород (10%). На долю азота, натрия, фосфора, магния, кремния, серы, железа и хлора падает 1,5%. На все остальные элементы системы Менделеева приходится менее 0,5%.

     Перемещение необходимых для жизни элементов и неорганических соединений можно назвать круговоротом элементов питания.

     Основными  биогеохимическими циклами являются  циклы воды, углерода, кислорода,  водорода, азота, фосфора и серы. Они пока не изучены в полном масштабе, т.к. некоторые фазы протекают внутри малоизученных экосистем. Водные экосистемы наиболее изучены в силу их гомогенности. Кроме того, все циклы неразрывно связаны друг с другом и составляют в целом биосферу.

 

Круговороты воды.

 

     Вода – наиболее важная часть тела живых существ. В теле человека она составляет 60% по весу, а растительном организмы достигает 95%.

     Круговорот (циркуляция) воды в природе происходит по условным схеме: выпадение атмосферных осадков, поверхностный и подземный сток, инфильтрация, перенос водяного пара в атмосфере, конденсация водяного пара, повторное выпадение атмосферных осадков.

    Человек может вмешиваться  в круговорот воды двумя способами:

- забирая большое количество  пресной воды из рек, озер  и водоносных горизонтов, тем самым истощая запас грунтовых вод и открывая доступ океанической соленой воде в подземные водоносные горизонты;

- сводя растительный покров  суши в интересах развития  сельского хозяйства, при добыче  полезных ископаемых, строительства  жилья, дорог и других видах деятельности, что приводит к уменьшению просачивания поверхностных вод под землю, что, в свою очередь, сокращает пополнение запасов грунтовых вод, увеличивает риск наводнений, повышает интересность поверхностного стока, усиливая эрозию почв.

 

Круговорот  азота.

 

     Азот (от греч. azoos – безжизненных). Газообразный азот, составляющий 78% объема земной атмосферы, не может непосредственно использоваться живыми организмами. В свободном состоянии он обладает химической интересностью, а соединяясь с другими элементами, весьма активен. Организмы нуждающиеся в различных химических формах азота для образования белков и генетически важных нуклеиновых кислот (ДНК). Большинству зеленых растений требуется азот в форме нитрат – ионов (NO₃^-) и ионов аммония (NH₄⁺). Но он может преобразовываться в растворимые в воде соединения, содержащие ионы NO₃^- и NH₄⁺, которые усваивают корнями растений.

     В результате деятельности  человека в круговорот включает  азот, образующийся при сжигании  топлива, выделяемый при добыче полезных ископаемых для производства минеральных удобрений, попадающих в окружающую среду со стоками животноводческих ферм и при удобрении сельскохозяйственных полей и др.

     Соединения азота  с кислородом называют оксидами  азота. Известны N₂O, NO, N₂O₃, NO₂ (и его димер N₂O), N₂O₅. Для окружающей среды наибольшую опасность представляет диокид азота NO₂, который при взаимодействии с водой образует азотную кислоту и оксид азота, что является причиной образования кислотных дождей:

3NO₂ + H₂O = 2 H NO₃ + NO.

      Нитраты  при несоблюдении норм могут  накапливаться в продуктах питания,  питьевой воде и вызывать тяжелые  отравления, а также нарушения  кислородного обмена в организме  человека, называемого метаглобинемией.

 

Круговорот  фосфора.

 

     Фосфор главным образом в виде фосфат – ионов (PO₄^3- b HPO₄^2-) является важным питательным элементом как для растений, так и для животных. Он входит в состав молекул ДНК, несущих генетическую информацию; молекул АТФ и АДФ, в которых запасается необходимая для организмов химическая энергия, используемая при клеточном дыхании; молекул жиров, образующих клеточные мембраны в растительных и животных клетках; а также веществ, входящих в состав костей и зубов.