Учение В.И. Вернадского о биосфере. Живое вещество биосферы, его роль и свойства.
Любой биоценоз взаимодействует со своей средой обитания - биотопом, в результате чего образуется более сложная биологическая система - биогеоценоз. Биотоп включает в свой состав почву (эдафотоп), воду (гидротоп) и воздух с климатическими факторами (климатотоп). Термин биогеоценоз был введен в 1942 году советским ученым В.Н.Сукачевым. Биогеоценоз - это исторически сложившаяся совокупность на известной протяженности земной поверхности однородных природных явлений - атмосферы, горной породы, гидрологических условий, растительного и животного мира, мира микроорганизмов и почвы. Иными словами, биогеоценоз - это исторически сложившаяся совокупность биоценоза и биотопа, основу которой составляет метаболизм ее компонентов, т.е. обмен веществом и энергией. Состав биогеоценоза можно представить в виде следующей схемы.
Параллельно с термином «биогеоценоз» применяется термин «экосистема», который был предложен английским ученым А.Тенсли в 1935 году. Экосистема - это любая совокупность организмов разных видов и неорганических компонентов, в которой возможно осуществление круговорота веществ и превращения энергии. Таким образом, понятие «экосистема» шире, чем понятие «биогеоценоз». В экосистеме все организмы связаны между собой пищевыми связями и образуют пищевые цепи. Пищевая цепь - это линейная последовательность организмов, в которой происходит передача вещества и энергии от одного звена к другому. В зависимости от того, с чего начинается пищевая цепь, они подразделяются на два типа:
1) пастбищные цепи, или цепи выедания, - это пищевые цепи, начинающиеся с продуцентов. Например: капуста → гусеница → синица → ястреб → человек.
2) детритные цепи, или цепи разложения, - это пищевые цепи, начинающиеся с детрита. Например: опавшие листья (детрит) → дождевой червь → плесневые грибы → микроорганизмы → биогены.
Место организма в пищевой цепи относительно ее начала называется трофическим уровнем и обозначается римской цифрой. Трофических уровней столько, сколько пищевых звеньев в цепи питания. Однако, в связи с тем, что почти все организмы являются олиго- или полифагами, то они могут находиться на разных трофических уровнях в одной и той же пищевой цепи в зависимости от характера пищи. Кроме того, они могут быть звеньями разных пищевых цепей одновременно. В результате этого пищевые цепи в чистом виде в природе не встречаются. Переплетаясь между собой, они образуют пищевые сети.
Пищевая сеть - это совокупность пищевых цепей сообщества, взаимосвязанных между собой общими пищевыми звеньями.
Виды с широким спектром питания могут включаться в пищевые цепи на разных трофических уровнях. Только продуценты всегда занимают первый трофический уровень. Используя солнечную энергию и биогены, они образуют органическое вещество, которое содержит энергию в виде энергии химических связей. Это органическое вещество, или биомасса продуцентов, потребляется организмами второго трофического уровня. Однако не вся биомасса предыдущего уровня съедается организмами последующего уровня, потому что исчезли бы ресурсы для развития экосистемы. При переходе от одного трофического уровня к другому происходит трансформация вещества и энергии. На каждом трофическом уровне пастбищной пищевой цепи не вся съеденная биомасса идет на образование биомассы организмов данного уровня. Значительная часть ее затрачивается на обеспечение жизнедеятельности организмов: дыхание, движение, размножение, поддержание температуры тела и т.д. Кроме того, не вся съеденная биомасса усваивается. Непереваренная часть ее в виде экскрементов попадает в окружающую среду. Процент усвояемости зависит от состава пищи и биологических особенностей организмов, он составляет от 12 до 75%. Основная часть ассимилированной биомассы расходуется на поддержание жизнедеятельности организмов и только сравнительно небольшая ее часть идет на построение тела и рост. Другими словами, большая часть вещества и энергии при переходе от одного трофического уровня к другому теряется, потому что к последующему потребителю попадает только та их часть, которая включилась в биомассу предыдущего трофического уровня. По подсчетам установлено, что теряется в среднем около 90%, и только 10% вещества и энергии переходит на каждом этапе пищевой цепи. Например:
Продуценты → консументы I → консументы II → консументы III
1000 кДж → 100 кДж → 10 кДж → 1 кДж
Эта закономерность была сформулирована как «закон 10%». Он гласит, что при переходе от одного звена к другому в пастбищной пищевой цепи передается лишь 10% вещества и энергии, а остальная часть расходуется предыдущим трофическим уровнем на поддержание жизнедеятельности. Если количество вещества или энергии на каждом трофическом уровне изобразить в виде диаграммы и расположить их друг над другом, то получится экологическая пирамида биомассы или энергии. Такая закономерность получила название «правило экологической пирамиды». Этому правилу подчиняется и численность организмов на трофических уровнях, поэтому можно построить экологическую пирамиду чисел.
Таким образом, запас вещества и энергии, накопленный растениями в пастбищных пищевых цепях, быстро расходуется (выедается), поэтому пищевые цепи не могут быть длинными. Обычно они включают 4-5 звеньев, но не более 10-ти. На каждом трофическом уровне пастбищной пищевой цепи образуется отмершее органическое вещество и экскременты - детрит, от которого начинаются детритные цепи, или цепи разложения. В наземных экосистемах процесс разложения детрита включает три этапа:
1. Этап механического разрушения и частичного превращения в сахариды. Он очень короткий - 3-4 года. Его осуществляют редуценты I порядка - макробиота (черви, личинки насекомых, землероющие млекопитающие и др.). На этом этапе потерь энергии практически не происходит.
2. Этап разрушения детрита до гуминовых кислот. Он продолжается 10-15 лет и пока слабо изучен. Его осуществляют редуценты II порядка - мезобиота (грибы, простейшие, микро организмы крупнее 0,1 мм). Гуминовые кислоты - это перегной, полуразрушенное органическое вещество, поэтому при их образовании происходит разрыв части химических связей и выделяется тепловая энергия, которая рассеивается в космическом пространстве.
3. Этап разрушения гуминовых кислот до неорганического вещества - биогенов. Он протекает очень медленно, особенно в нашей умеренной зоне (сотни и тысячи лет) и еще практически не изучен. Его осуществляют редуценты III порядка - микробиота (микроорганизмы меньше 0,1 мм). При разрушении гуминовых кислот происходит разрыв всех химических связей и выделяется большое количество тепловой энергии, которая теряется в космическом пространстве. Образующиеся в результате этого процесса биогены энергии не содержат, в дальнейшем они поглощаются продуцентами и опять вовлекаются в круговорот вещества.
Как видно из вышесказанного, на уровне редуцентов наблюдается задержка жизни, но так быть не должно. В почве есть запас гуминовых кислот, которые образовались очень давно, поэтому задержки жизни не происходит. В разных экосистемах скорость разрушения гуминовых кислот разная. Если она меньше, чем скорость их образования, то плодородие почвы повышается, если же наоборот, то оно снижается. Вот почему в умеренной зоне после разрушения биогеоценоза возможно длительное использование плодородия почвы. В тропиках плодородия почвы достаточно на 2-3 года, а затем она превращается в пустыню. Здесь разрушение гуминовых кислот идет быстро. Этому способствуют высокая температура, влажность и аэрация. В умеренной зоне в почве содержится до 55% углерода, а в тропиках - только до 25%. Вот почему нельзя вырубать тропические леса, чтобы предотвратить опустынивание планеты.
Таким образом, поток энергии, входящий в экосистему, далее разбивается как бы на два основных русла - пастбищное и детритное. В конце каждого из них энергия теряется безвозвратно, потому что растения в процессе фотосинтеза не могут использовать тепловую длинноволновую энергию.
Соотношение количества энергии, проходящей через пастбищные и детритные цепи, в разных типах экосистем разное. Потеря энергии в пищевых цепях может быть восполнена только за счет поступления новых порций. Это осуществляется за счет ассимиляции солнечной энергии растениями. Поэтому в экосистеме не может быть круговорота энергии, аналогично круговороту вещества. Экосистема функционирует только за счет направленного потока энергии - постоянного поступления ее в виде солнечного излучения, либо в виде готового органического вещества.
Биологическая продуктивность экосистем
Биологическая продуктивность - это скорость возобновления биомассы растений, животных и микроорганизмов, входящих в состав экосистемы. Она выражается количеством продукции за единицу времени. Продукция - это количество биомассы, образующейся на единице площади или в единице объема биотопа за определенный промежуток времени. Значит, биологическая продуктивность отражает количество биомассы, возобновляемой на единице площади или в единице объема биотопа за единицу времени. Биомасса - это масса всех живых организмов, обитающих на единице площади или в единице объема биотопа. Она выражается в единицах серого веса или веса сухого органического вещества. Биомасса биоценоза и его биологическая продуктивность могут очень сильно отличаться.
Экосистема – единый естественный комплекс, образованный за большой период времени живыми организмами и средой обитания (атмосфера, почва, водоем, и др.), в котором все компоненты тесно связаны обменом вещества и энергии. Экосистема может стать лишь среда, где имеет место стабильность и четко функционирует внутренний кругооборот вещества и энергии.
Экосистема является основным объектом экологии. По Реймерсу, экосистема - это любое сообщество живых существ и его среда обитания, объединенные в единое функциональное целое, возникающее на основе взаимозависимости и причинно-следственных связей, существующих между отдельными экологическими компонентами.
Экосистема= Биотоп + Биоценоз.
Экосистема не только связана с ограниченным участком земной поверхности, но и применимо ко всем стабильным системам живых и неживых компонентов, где происходит внешний и внутренний кругооборот вещества и энергии. Примеры: капля воды, аквариум, озеро, океан. Как видно из этих примеров их масштабы различны. С научной точки зрения выделяют микроэкосистемы (болотная кочка, альпийская горка на даче);
мезоэкосистема – озеро, болото, конкретный участок леса;
макроэкосистема – континент, океан, коралловый риф.
Первые и вторые можно разделить на чисто водные и наземные. А все они формируют единую планетарную сеть. Причем в одной природной зоне встречается множествопохожих экосистем, которые могут быть слиты в однородные комплексыили разделены другими экосистемами. Для Беларуси: озеро в лесу.
Наземные экосистемы, относящиеся к единой природно-климатической зоне имеют общую структуру доминирующей растительности поэтому могут рассматриваться как единый большой биогеоценоз (биом). Последние являются основными объектами исследования экологической географии. В пределах каждого биома можно встретить множество сходных по приспособлению форм животных и растений, хотя происхождение их различно.
Расположим в иерархическом порядке наземные экосистемы:
Биосфера
Экосистема суши
Климатический пояс
Природно- ландшафтные зоны: Тундра(арктическая или альпийская). Бореаольные хвойные леса, листопадный лес умеренной зоны. Степь той же зоны. Тропические степи и саванны. Чапараль- районы с дождливой зимой и засушливым летом. Пустыня. Полувечнозеленый тропический лес. Вечнозеленый тропический дождевой лес.
Пресноводные и морские экосистемы, в том числе открытый океан или прибрежные бухты, устья рек, соленые марши. . Экосистемы, измененные сельходеятельностью человека: поля, сады огороды и т.д.Они получают доп. вещества и энергию, но должны базироваться на естественных природно-климатических условиях.
Каждая экосистема имеет собственное материально-энергетическое обеспечение и определенную функциональную структуру, основанную на трофических взаимоотношениях.
Принцип экологической комплементарности: никакая функциональная часть экосистемы не может существовать без других дополняющих компонентов. Живые организмы вырабатывают приспособления, скоординированные с условиями абиотической среды.
Экосистемы способны к изменениям, развитию, переходу от простых к сложным формам. Может происходить постепенная замена одних сообществ другими; изменение соотношений между автотрофными и гетеротрофными организмами, изменение биологического разнообразия
Можно отметить интересную закономерность в распределении видов в составе биоценоза: чем меньше масса организма, тем большая численность его особей. Другая закономерность: наибольшим распространением отличается сравнительно небольшое число видов. Пример, 84 % высокотравной растительности Оклахомы принадлежит 9 видам, в то время как остальные 20 видов составляют только 16 %. Это преимущество возникает вследствие узкой специализации по приспособлению к существующему биоценозу. В случае резких изменений среды обитания в первую очередь вымирают узкоспециализированные виды.
Некоторые виды сезонно встречаются в определенных биоценозах, пример стрекоз и комаров.
В.И.Вернадский в биосфере выделял три сферы жизни:
1. Атмосфера - это газообразная оболочка Земли. Она не вся заселена жизнью, ее распространению препятствует ультрафиолетовая радиация. Граница биосферы в атмосфере находится на высоте примерно 25-27 км, где располагается озоновый слой, поглощающий около 99% ультрафиолетовых лучей. Наиболее заселенным является приземный слой атмосферы (1-1,5 км, а в горах до 6 км над уровнем моря).
2. Литосфера - это твердая оболочка Земли. Она также заселена живыми организмами не полностью. Распространение жизни здесь ограничено температурой, которая постепенно возрастает с глубиной и при достижении 100°C вызывает переход воды из жидкого в газообразное состояние. Максимальная глубина, на которой обнаружены живые организмы в литосфере, составляет 4 - 4,5 км. Это и есть граница биосферы в литосфере.
3. Гидросфера - это жидкая оболочка Земли. Она заселена жизнью полностью. Границу биосферы в гидросфере Вернадский проводил ниже океанического дна, потому что дно - это продукт жизнедеятельности живых организмов.
Биосфера представляет собой гигантскую биологическую систему, включающую огромное разнообразие составляющих компонентов, охарактеризовать которые по отдельности крайне трудно. Вернадский предложил все, что входит в состав биосферы, объединить в группы в зависимости от характера происхождения вещества. Он выделял семь групп вещества: 1) живое вещество - это совокупность всех продуцентов, консументов и редуцентов, населяющих биосферу; 2) косное вещество - это совокупность веществ, в образовании которых живые организмы не участвовали, это вещество образовалось до появления жизни на Земле (горные, скалистые породы, вулканические извержения); 3) биогенное вещество - это совокупность веществ, которые образованы самими организмами или являются продуктами их жизнедеятельности (каменный уголь, нефть, известняк, торф и другие полезные ископаемые); 4) биокосное вещество - это вещество, которое представляет собой систему динамического равновесия между живым и косным веществом (почва, кора выветривания); 5)радиоактивное вещество - это совокупность всех изотопных элементов, находящихся в состоянии радиоактивного распада; 6) вещество рассеянных атомов - это совокупность всех элементов, находящихся в атомарном состоянии и не входящих в состав никакого другого вещества; 7) космическое вещество - это совокупность веществ, попадающих в биосферу из космоса и имеющих космическое происхождение (метеориты, космическая пыль).
Вернадский считал, что главную преобразующую роль в биосфере играет живое вещество. Оно выполняет пять основных биосферных функций: 1) энергетическая функция - это способность живых организмов поглощать солнечную энергию, превращать ее в энергию химических связей и передавать по пищевым цепям. Благодаря этой функции постоянно идет восполнение потерь энергии в экосистемах и поддержание жизни в биосфере; 2) газовая функция - это способность живых организмов поддерживать постоянство газового состава биосферы в результате сбалансированности фотосинтеза и дыхания. 3) концентрационная функция - это способность живых организмов накапливать в своем теле определенные элементы окружающей среды, благодаря чему произошло перераспределение элементов в пределах биосферы и образовались полезные ископаемые; 4) окислительно-восстановительная функция - это способность живых организмов в ходе биохимических реакций изменять степень окисления элементов и создавать, таким образом, разнообразие соединений в природе, необходимое для поддержания разнообразия жизни в биосфере; 5) деструктивная функция - это способность живых организмов разлагать отмершее органическое вещество до биогенов, поглощаемых продуцентами, благодаря чему осуществляется круговорот вещества в биосфере, и жизнь может существовать бесконечно долго без поступления вещества из космоса.
Рассмотрим еще одну важную структурную составляющую биоценозов – популяции. Все живые организмы существуют в форме популяции – минимальной самовоспроизводящейся группировки особей одного вида, более или менее изолированная от других подобных группировок, населяющая определенный ареал в течение длительного ряда поколений, образующая собственную генетическую систему и формирующая собственную экологическую нишу. Реальный рост популяции описывается логическим уравнением Ферхюльста-Пирла
dN/dt= rN[(K-N)/K]
коэффициент рождаемости равен произведению показателя специфического роста (биотическим потенциалом) , исходной численности популяции и степени сопротивления среды обитания приросту популяции, где К- максимально возможное число особей, способных жить в данной среде.
Круговорот веществ представляет собой процессы превращения и перемещения вещества в природе. По своей природе это повторяющиеся, взаимосвязанные физико-химические и биологические процессы.
Среди всех элементов круговорот углерода в наибольшей степени зависит от деятельности живых организмов.
Углекислый газ ассимилируется зелеными растениями и бактериями-фотосинтетиками и включается в состав органических веществ. Все живые существа дышат; в результате этого процесса углерод, находящийся в органических веществах в виде углекислого газа, вновь поступает в атмосферу. Также углекислый газ образуется при минерализации органического вещества микроорганизмами. В живом веществе процессы ассимиляции углерода и его выделение при дыхании практически уравновешены. Только около 1% углерода откладывается в виде торфа, то есть изымается из круговорота. В гидросфере углерод содержится в растворенном виде (углекислый газ, угольная кислота, ионы угольной кислоты). Здесь его запасы значительно больше, чем в атмосфере. Углерод гидросферы также используется живыми организмами в процессе фотосинтеза и для построения известковых скелетов (губки, кишечнополостные, моллюски и т.д.). Между Мировым океаном и гидросферой постоянно происходит обмен углеродом, причем в океане значительное количество углерода изымается из круговорота и откладывается в виде малорастворимых карбонатов.
В атмосферу углерод также поступает в результате хозяйственной деятельности человека - при сжигании органоминерального топлива: угля, газа, нефти и продуктов ее переработки и т.д. Данные энергетические ресурсы образовались в результате деятельности живых организмов в древние геологические эпохи. Энергетические ресурсы делятся на восполнимые (древесина, торф) и невосполнимые (газ, уголь, нефть).
Огромные запасы углерода содержатся в горных осадочных породах - сланцах, карбонатах кальция и магния. Поступление углерода в атмосферу из этих пород зависит от геохимических процессов (выветривание, геоморфизм горных пород) и вулканической деятельности.
В газовом составе атмосферы азот составляет около 80%. Атмосферный азот в виде газа не может быть напрямую использован живыми организмами. Фиксация азота и перевод его в соединения, которые поглощают растения, осуществляются почвенными азотфикси- рующими бактериями. Примером могут служить клубеньковые бактерии, развивающиеся на корнях бобовых растений. Азотфиксирую- щие бактерии обогащают почву азотом, тем самым повышая ее плодородие.
Азот может поступать непосредственно из атмосферы в результате разложения оксида азота под действием электрических грозовых разрядов.
При разложении органических остатков в процессе минерализации под действием микроорганизмов выделяется аммиак. Частично аммиак может усваиваться растениями, но основное его количество переводится в форму нитратов при участии нитрифицирующих бактерий: сначала он окисляется до азотистой кислоты, а затем - до азотной.
В своих трудах, посвященных проблеме возникновения биосферы, В.И. Вернадский писал, что биосфера - это продукт взаимодействия живой и неживой природы Земли. С момента своего возникновения живые организмы представляют собой важную биогеохимическую силу, преобразующую земную кору.
Миграция химических элементов на поверхности Земли так или иначе осуществляется при участии живого вещества. Атомы биогенных элементов многократно проходят через тела живых организмов - биогенная миграция атомов осуществляется за счет энергии солнечного излучения. Живое вещество биосферы определяет состав атмосферы, биогенных осадочных пород, почвы, гидросферы.
Между органическим и неорганическим веществом на Земле существует неразрывная геохимическая связь, постоянный круговорот веществ и превращение энергии. Круговорот веществ и поток энергии через экосистемы обеспечивает существование жизни как таковой, потому что даже на Земле запасы необходимых биогенных элементов были бы очень быстро исчерпаны. Круговорот в виде биогеохимиче- ских циклов - необходимое условие существования биосферы. Термин «биогеохимические циклы» был введен в начале XX в. академиком В.И. Вернадским.
Деятельность человека создает новую искусственную оболочку Земли - ноосферу.
Ноосфера - это особое состояние биосферы, где разумная деятельность человека становится определяющим фактором ее развития. Понятие ноосферы как сферы разума было введено Э. Леруа и П. Тейером де Шарденом в 1927 г. Учение о ноосфере было создано и развито В.И. Вернадским в 40-х гг. XX в. Вернадский понимал ноосферу как особую структурную форму, развивающуюся в результате взаимодействия человеческого общества и биосферы.
Ноосфера - это следующее эволюционное состояние биосферы, направленно преобразуемое в интересах человечества. Для ноосферы характерна взаимосвязь законов природы с социально-экономическими законами общества. Переход биосферы в ноосферу будет происходить в процессе объединения всех людей, населяющих планету, для решения общих глобальных экологических проблем.
| Выберите один правильный ответ. 1. Термин «биосфера» впервые употребил
цепи питания 2) масса, образованная телами погибших организмов 3) совокупность всех живых организмов Земли 4) масса минеральных веществ, образовавшаяся при разложении живых организмов |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
8. Благодаря окислительно-восстановительной функции живого вещества
1) в почве и гидросфере образовались соли
2) химические элементы накапливаются в организмах
3) поддерживается относительно постоянный газовый состав атмосферы
4) образовались скопления бокситов в земной коре
9. Основную массу растений Мирового океана составляет
1) зоопланктон
2) фитопланктон
3) прикрепленные многоклеточные водоросли
4) высшие растения
10. Доля обитающих в океане организмов в фотосинтезе биосферы составляет
1) менее 10% 3) около 70%
2) примерно 30% 4) более 95%
11. От биомассы организмов, обитающих на суше, растения составляют примерно
12. Главную массу наземных животных составляют
1) плоские черви 3) членистоногие
2) кольчатые черви 4) хордовые
13. Среди всех элементов в наибольшей степени зависит от деятельности живых организмов круговорот
1) углерода 3) фосфора
2) азота 4) кремния
14. Озоновый слой необходим для
1) удержания тепла атмосферы
2) удержания кислорода атмосферы
3) задержки ультрафиолетовых лучей
4) фиксации азота в верхних слоях атмосферы
15. К восполнимым энергетическим ресурсам относят
1) каменный уголь 3) горючий газ
2) торф 4) нефть
Выберите три правильных ответа.
16. К газовой функции живого вещества относится
1) выделение кислорода растениями при фотосинтезе
2) выделение углекислого газа при дыхании
3) образование солей в почве и гидросфере
4) образование залежей органоминерального топлива
5) восстановление азота бактериями
6) образование меловых отложений на дне водоемов
17. Кальций из среды обитания аккумулируют
| 1) радиолярии | 4) | фораминиферы |
| 2) губки | 5) | насекомые |
| 3) кишечнополостные | 6) | МОЛЛЮСКИ |
| Биогенное происхождение имеют | ||
| 1) метеориты | 4) | залежи каменного угля |
| 2) известняки | 5) | кислород атмосферы |
| 3) почвы | 6) | илы |
| К парниковым газам относят | ||
| 1) Н 2 3) 0 3 | 5) | СН 4 |
| 2) 0 2 4) С0 2 | 6) | Ы 2 0 |
20. Углекислый газ поступает в атмосферу Земли при
1) горении
2) гниении
3) извержении вулканов
4) электрических грозовых разрядах
5) фотосинтезе
6) торфообразовании
21. Установите соответствие между живыми организмами и хи
Ключи к заданиям
| № вопроса | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| ответ | 2 | 4 | 2 | 4 | 2 | 4 | 3 | 1 | 2 | 2 |
| № вопроса | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 |
| ответ | 1 | 3 | 1 | 3 | 2 | 1,2,5 | 3,4,6 | 2,4,5 | 4,5,6 | 1,2,3 |
Задание 21
|
Цепи питания. В процессе круговорота веществ энергия, содержащаяся в одних организмах, потребляется другими организмами. Перенос энергии и пищи от ее источника - автотрофов (продуцентов) через ряд организмов происходит по пищевой цепи путем поедания одних организмов другими. Пищевая цепь - это ряд видов или их групп, каждое предыдущее звено в котором служит пищей для следующего. Число звеньев в ней может быть различным, но обычно их бывает 3 - 5.
Пищевые цепи можно разделить на два основных типа: пастбищная цепь, которая начинается с зеленого растения и идет далее к пасущимся растительноядным животным (т.е. к организмам, поедающим живые растительные клетки и ткани) и к хищникам (организмам, поедающим животных), и детритная цепь (детрит - продукт распада, от лат. deterere - изнашиваться), которая от мертвого органического вещества идет к микроорганизмам, а затем к детритофагам (организмам, поедающим детрит) и хищникам. Пищевые цепи не изолированы одна от другой, а тесно переплетаются друг с другом, образуя так называемые пищевые сети. Пищевая сеть - условное образное обозначение трофических взаимоотношений консументов, продуцентов и редуцентов в сообществе (рис. 6.1)
В сложных природных сообществах организмы, получающие энергию от Солнца через одинаковое число посредников (ступеней), считаются принадлежащими к одному трофическому уровню. Трофический уровень - совокупность организмов, получающих преобразованную в пищу энергию Солнца и химических реакций (от автотрофов) через одинаковое число посредников трофической цепи, т.е. занимающих определенное положение в общей цепи питания. Первый трофический уровень (I) занимают автотрофы - зеленые растения (продуценты), второй (II) - травоядные (консументы первого порядка), третий (III) - первичные хищники, поедающие травоядных животных (консументы второго порядка), четвертый (IV) - вторичные хищники (консументы третьего порядка), питающиеся более слабыми хищниками. Эта трофическая классификация относится к функциям, но не к видам как таковым. Группа особей одного вида может занимать один или несколько трофических уровней, исходя из того, какие источники пищи она использует. Замыкают этот биологический круговорот, как правило, редуценты, разлагающие органические остатки.
При переходе к каждому последующему звену пищевой цепи большая часть (80 - 90 %) пригодной для использования потенциальной энергии теряется, переходя в теплоту. Продукция каждого последующего уровня примерно в 10 раз меньше предыдущего. Поэтому чем короче пищевая цепь (чем ближе организм к ее началу), тем больше количество энергии, доступной для группы данных организмов. В среднем лишь около 10 % биомассы и заключенной в ней энергии переходит с каждого уровня на следующий. В силу этого суммарная биомасса, продукция и энергия, а часто и численность особей прогрессивно уменьшаются по мере восхождения по трофическим уровням (рис. 6.2). Эта закономерность сформулирована в 1927 г. американским зоологом Чарлзом Элтоном в виде правила экологических пирамид - графических моделей, отображающих трофическую структуру. Выделяют три основных типа экологических пирамид: пирамида чисел (численностей) отражает численность отдельных организмов по трофическим цепям; пирамида биомасс показывает соотношение продуцентов, консументов и редуцентов в экосистеме, выраженное в их массе; пирамида энергии отражает силу потока энергии через последовательные трофические уровни, т.е. эта пирамида отражает скорость прохождения массы пищи через трофическую цепь.
Эти основные типы экологической пирамиды показывают закономерное понижение всех показателей с повышением трофического уровня живых организмов. На каждом трофическом уровне потребленная пища ассимилируется не полностью, так как значительная ее часть теряется, тратится на обмен веществ, поэтому продукция организмов каждого предыдущего уровня всегда меньше последующего. В связи с этим в наземных экосистемах масса продуцентов (на единицу площади и абсолютно) больше, чем консументов; коысументов первого порядка больше, чем консументов второго порядка, и т.д. Поэтому графическая модель имеет вид пирамиды (рис. 6.3). Однако зачастую в некоторых водных экосистемах, отличающихся исключительно высокой биологической продуктивностью продуцентов, пирамида биомасс может быть обращенной, когда биомасса продуцентов оказывается меньшей, чем консументов, а иногда и редуцентов. Например, в океане при довольно высокой продуктивности фитопланктона общая масса его в данный момент может быть меньше, чем у потребителей - консументов (киты, крупные рыбы, моллюски).
Основой устойчивого развития экосистем являются:
- биологическое разнообразие,
- саморегуляция
- круговорот веществ.
Биологическое разнообразие – вариабельность живых организмов из всех источников, включая среди прочего наземные, морские и иные водные экосистемы и экологические комплексы, частью которых они являются; это понятие включает в себя разнообразие в рамках вида, между видами и разнообразие экосистем (Конвенция о биологическом разнообразии).
Биологическое разнообразие – разнообразие видов в конкретной экосистеме, на определенной территории или на всей планете.
В настоящее время науке известно около 2,5 млн видов, причем 74% видов связано с тропическим поясом, 24% - с умеренными широтами и 2% - с полярными районами. Считается, что этот список очень неполон, так как не выявлены многие мелкие животные (в частности, насекомые и паукообразные), грибы, бактерии (особенно в тропиках, где Б.р. самое высокое).
Ученые предполагают, что общее число видов на планете составляет от 5 до 30 млн. Биологическое разнообразие разных групп организмов существенно различается. Самая богатая видами группа организмов - насекомые. Их насчитывается почти 1,5 млн видов. Биологическое разнообразие обычно оценивается по отдельным группам организмов: указывается количество видов сосудистых растений (цветковых, голосеменных, папоротников, плаунов, хвощей), мхов, лишайников, крупных грибов, видимых глазом (их называют макромицетами), микроскопических грибов (микромицетов), водорослей, насекомых, почвенных животных (также видимых глазом, их называют мезофауной), птиц, млекопитающих, бактерий и т. д.
Аналогично по группам оценивается биологическое разнообразие водных экосистем (группы планктона и бентоса - фитопланктон, зоопланктон, фитобентос, зообентос, нектон, растения-макрофиты). Совокупность видов растений называется флорой , а видов животных - фауной . Между биологическим разнообразием разных трофических уровней отмечена зависимость «разнообразие порождает разнообразие»: чем больше видов-автотрофов, тем больше видов-гетеротрофов (консументов и редуцентов). Между биологическим разнообразием , устойчивостью экосистем и их биологической продукцией нет прямой связи. Более продуктивными могут быть экосистемы с невысоким биологическим разнообразием. Например, при удобрении лугов их биологическое разнообразие резко снижается, а продукция - увеличивается. Устойчивыми (т. е. способными самовосстанавливаться после нарушения) часто являются экосистемы с невысоким биологическим разнообразием , например, пустыни.
Биологическое разнообразие отдельных биоценозов определяется взаимодействием многих факторов , главные из которых следующие.
1. Благоприятность условий среды . В экосистемах с богатыми и хорошо увлажненными почвами и в теплом климате может быть больше видов, чем в экосистемах с бедными, холодными и очень сухими почвами. Впрочем, в тундрах снижение биологического разнообразия сосудистых растений компенсируется возрастанием биологического разнообразия мхов и лишайников, которые имеют очень мелкие размеры.
2. Общий «запас» видов ландшафта . Если ландшафт в прошлом был подвержен сильным нарушениям, которые обеднили его флору и фауну, то даже при благоприятных условиях и по прошествии после нарушения долгого времени биоценозы будут иметь весьма низкое биологическое разнообразие.
3. Режим нарушений . При умеренных нарушениях экосистем (легкий выпас, выборочная рубка леса или ветровал на ограниченной площади, периодические низовые пожары) биологическое разнообразие увеличивается. В таких условиях виды-доминанты не могут усилиться настолько, чтобы захватить «львиную долю» ресурсов. Возрастает биологическое разнообразие травяного яруса в пригородных лесах, если они умеренно нарушаются вытаптыванием. В то же время любое сильное нарушение снижает биологическое разнообразие.
Биологическое разнообразие зависит и от неоднородности территории. На равнине оно всегда будет ниже, чем в горной местности, где на ограниченной площади представлено много разных экотопов. Это связано с разной высотой участков над уровнем моря, разной экспозицией, разными геологическими породами (кислые граниты, щелочные известняки) и т. д.
Биологическое разнообразие - самый важный биологический индикатор состояния биосферы и входящих в ее состав биомов, который чутко реагирует на воздействия человека. В настоящее время четко проявляется тенденция снижения биологического разнообразия. С 1600 г. исчезло 63 вида млекопитающих и 74 вида птиц. В числе исчезнувших видов тур, тарпан, зебра-квагга, сумчатый волк, морская корова Стеллера, европейский ибис и др.
В современном мире ежедневно исчезает от 1 до 10 видов животных и еженедельно - 1 вид растений. Гибель одного вида растений ведет к уничтожению примерно 30 видов мелких животных (прежде всего насекомых и круглых червей - нематод), связанных с ним в процессе питания. Охрана биологического разнообразия является одним из важнейших требований при построении общества устойчивого развития.
Саморегуляция
– главное свойство экосистем: за счет биотических связей количество всех видов поддерживается на постоянном уровне. Саморегуляция позволяет экосистемам выдерживать неблагоприятные воздействия. Например, лес может сохраниться (восстановиться) после нескольких лет засухи, бурного размножения майских жуков и/или зайцев.
Растительные и животные организмы, находясь во взаимосвязи с неорганической средой, включаются в непрерывно происходящий в природе круговорот веществ и энергии . Выполняя основные биохимические функции, живые организмы создают в биосфере круговороты важнейших биогенных элементов (углерода, водорода, кислорода, азота, фосфора и серы), которые попеременно переходят из живого вещества в неорганическую материю.
Круговорот веществ
Естественное циклическое движение химических элементов от одного компонента биосферы (или биоценоза) к другому, поддерживаемое потоком солнечной радиации. Основным средством этого круговорота служат пищевые связи живых организмов. В воздушный круговорот включается 98,3% веществ (02, Н2, N, С и др.), в водный -1,7% (Na, Mg, Fe, S, CI, К и др.).
Биологический круговорот
Обмен веществ и энергии между различными компонентами биосферы, обусловленный жизнедеятельностью живых организмов и носящий циклический характер. Движущая сила этого процесса - поток энергии Солнца и деятельность живого вещества.
Круговорот углерода.
Углерод в природе находится в горных породах в виде известняка и мрамора. Большая часть углерода находится в атмосфере в виде углекислого газа. Из воздуха углекислый газ поглощается зелеными растениями, при фотосинтезе превращается в органические вещества, которые затем переходят по цепям питания, и снова углерод возвращается в атмосферу в виде углекислого газа, образующегося в результате метаболизма (дыхание, брожение), благодаря деятельности бактерий, разрушающих мертвые остатки растений и животных.
Круговорот азота
Биогеохимический процесс в биосфере, в котором участвуют организмы-редуценты, а также нитрифицирующие и клубеньковые бактерии. Азот - важный химический элемент, входящий в состав белков и нуклеиновых кислот. Основная масса азота поступает из атмосферы благодаря азотфиксирующим бактериям. Они усваивают его и переводят в химические соединения, способные усваиваться растениями. Затем азот передается по цепям питания и возвращается в свободном виде в атмосферу. Аммонификация - разложение (гниение) белков с образованием аммиака (минерализация органического вещества) - осуществляется редуцентами. Нитрификация - процесс окисления солей аммиака в соли азотной кислоты: I этап - превращение аммиака в нитриты; II этап - превращение нитритов в нитраты. Осуществляется почвенными нитрифицирующими бактериями (нитрозомонас, нитрозабактер). Денитрификация - разложение солей азотной кислоты до образования газообразного азота - осуществляется почвенными денитрифицирующими бактериями. Азотфиксация - образование азотистых соединений путем фиксации атмосферного азота свободноживущими почвенными бактериями (азотобактер) или бактериями, живущими в симбиозе с корнями бобовых растений (клубеньковые бактерии ризобиум).
Круговорот воды в биосфере .
Вода выпадает на поверхность Земли в виде осадков, образующихся из водяного пара атмосферы. Определенная часть выпавших осадков испаряется прямо с поверхности, возвращаясь в атмосферу водяным паром. Другая часть проникает в почву, всасывается корнями растений и затем, пройдя через растения, испаряется в процессе транспирации. Третья часть просачивается в глубокие слои подпочвы до водоупорных горизонтов, пополняя подземные воды. Четвертая часть в виде поверхностного, речного и подземного стока стекает в водоемы, откуда также испаряется в атмосферу. Наконец, часть используется животными и потребляется человеком для своих нужд. Вся испарившаяся и вернувшаяся в атмосферу вода конденсируется и вновь выпадает в качестве осадков.
Сера и фосфор , содержащиеся в горных породах, после их разрушения и эрозии попадают в почву (наземные экосистемы), часть фосфатов вовлекается в круговорот воды и уносится в море. Вместе с отмершими остатками фосфаты погружаются на дно. Одна часть из них используется, а другая теряется в глубинных отложениях. Из почвы серу и фосфор извлекают наземные растения, а из воды - водоросли. В результате деятельности редуцентов они вновь возвращаются в почву или в виде мертвого органического вещества оседают на дно и снова включаются в состав горных пород.
Таким образом, в результате круговорота веществ в биосфере происходит непрерывная биогенная миграция элементов .
Необходимые для жизни растений и животных химические элементы переходят из среды в организм. При разложении организмов эти элементы снова возвращаются в среду, откуда поступают в организм. В биогенной миграции элементов принимают участие различные организмы, в том числе и человек. В каждом биогеоценозе можно наблюдать биологический круговорот элементов - аккумуляцию и минерализацию. При наличии зеленых растений на поверхности суши и в верхних слоях моря образование живого вещества преобладает над минерализацией, а в почве и в глубинах моря - минерализация. Перенос химических элементов осуществляется также при переселении, миграциях, передвижениях живых организмов, спор, семян. Биогенная миграция атомов , осуществляемая микроорганизмами, превышает миграцию, производимую многоклеточными организмами. В последние десятилетия человеческая деятельность также оказывает влияние на миграцию атомов.
Биосфера прошла длительную эволюцию, в течение которой жизнь меняла формы, вышла из воды на сушу, изменила систему круговоротов. Благодаря биологическому круговороту веществ в биосфере жизнь поддерживает стабильные условия для своего существования и существования в ней человека.
1. Круговорот веществ и превращение энергии в экосистеме. Роль производителей, потребителей и разрушителей органических веществ в природе.
Источником энергии в естественной экосистеме является солнечный свет. Продуценты – производители (зеленые растения) запасают полученную солнечную энергию в органических веществах, создают пищу для всех остальных обитателей экосистемы. Служат источником органических веществ на Земле.
Консументы – потребители (травоядные, затем плотоядные животные) перерабатывают органические вещества. Их роль заключается в ускорении круговорота веществ в экосистеме. (Есть мнение, что сообщества могут быть устойчивы и без консументов).
Редуценты – разрушители (бактерии, грибы) разрушают органические вещества до неорганических. Разрушители завершают круговорот химических элементов, делают их доступными для усвоения растениями. Без редуцентов возникла бы нехватка минеральных солей, необходимых растениям, а планета была бы загромождена остатками живых существ и их экскрементов.
Некоторые экосистемы, лишенные солнечного света, не имеют в своем составе продуцентов. Примером могут быть сообщества больших океанских глубин. Источником энергии в таких экосистемах служат останки живых существ, оседающие из верхних слоев воды.
2. Многообразие пресмыкающихся, их приспособленность к наземному образу жизни. Объясните, почему они утратили свое господствующее положение на Земле. Назовите вымерших пресмыкающихся, обоснуйте причины их вымирания.
Класс пресмыкающихся представлен многочисленным отрядом Чешуйчатых, к которому относятся ящерицы и змеи. Отряд Черепахи и отряд Крокодилы отличаются своеобразным строением, сохранившим древние черты.
Для всех пресмыкающихся характерно развитие эмбрионов на суше, а не в воде. Это позволило пресмыкающимся заселять сушу независимо от наличия на ней водоемов. Кожа сухая, без желез, обычно покрытая чешуями, что предохраняет от потери влаги. Органы дыхания – ячеистые легкие. Дыхание происходит за счет расширения и сжатия грудной клетки, что обеспечивает более эффективную вентиляцию легких. В желудочке сердца формируется неполная перегородка, препятствующая смешиванию артериальной и венозной крови. Оплодотворение внутреннее. Яйца крупные, покрытые кожистой оболочкой у змей или известковой скорлупой у черепах и крокодилов. Поведение более сложное по сравнению с земноводными.
В мезозойской эре пресмыкающиеся были господствующей группой среди позвоночных и на суше, и в водоемах. Широко известны динозавры: травоядный бронтозавр, хищный тираннозавр, летающий ящер птеранодон. Называют следующие причины вымирания динозавров:
Расцвет покрытосеменных растений, содержащих алкалоиды, ядовитые для динозавров.
Похолодание климата, давшее существенные преимущества теплокровным птицам и млекопитающим.
Более совершенное поведение млекопитающих обеспечило более гибкое приспособление к меняющимся условиям окружающей среды по сравнению с пресмыкающимися.
3. Дайте научное обоснование факторов, сохраняющих и разрушающих здоровье человека. Вредные и полезные привычки, их влияние на состояние здоровья. Объясните, почему в последнее время становится престижным вести здоровый образ жизни.
Важнейшими факторами, способствующими сохранению здоровья, являются умеренность во всем: правильное питание, отказ от спиртного и курения, рациональный режим труда и отдыха, отказ от страстей, занятия физкультурой и физическим трудом. Связано это с тем, что посильные физические нагрузки тренируют сердечно-сосудистую и дыхательную системы, улучшают кровоснабжение не только задействованных мышц, но и всего организма в целом. Улучшается настроение и обмен веществ (есть данные, что полезно находиться на открытом воздухе в ранние утренние часы, когда состав солнечного спектра особенно благоприятен).
Сбалансированный рацион питания, включающий достаточное количество овощей и фруктов, обеспечивает организм всеми необходимыми белками и витаминами, клетчаткой. Переедание затрудняет работу пищеварительной системы и способствует ожирению.
Под страстями подразумевают преувеличение человеком значения чего-то (это могут быть игры, следование моде, карьера, влюбленность), что на самом деле этого значения не имеет. Страстью может стать работа, и даже творчество. Страсти истощают нервную систему, приводят к принятию нерациональных решений, которые не возникли бы в спокойном, уравновешенном состоянии. Общеизвестны пагубные последствия азартных игр, жажды наживы, фанатичного следования религиозным культам, идеологическим течениям и т.п. Успешной борьбе со страстями весьма способствует понимание человеком смысла жизни, стратегии устойчивого развития человеческой цивилизации, в основе которой лежит факт ограниченности природных ресурсов, необходимость разумного ограничения человеком своих потребностей.
С точки зрения физиологии, принципа доминанты, страсти можно рассматривать как доминирование потребностей, не важных и даже вредных для организма.
Спиртные напитки, курение, наркотики прежде всего опасны своим влиянием на нервную систему. У многих очень быстро вырабатывается физиологическая и психологическая зависимость, приводящая к алкоголизму, наркомании. В этом состоянии человек теряет контроль над своими поступками, никакая борьба со страстями невозможна. Нередки преступления ради денег или в состоянии агрессии. Не стоит забывать, что курение способствует возникновению рака легких, алкоголизм – язве желудка. Потеря самоконтроля увеличивает вероятность заражения ВИЧ-инфекцией и другими тяжелыми заболеваниями.
В развитых странах ведется борьба с курением в общественных местах, пропаганда здорового образа жизни. Связано это с тем, что затраты на здоровье нации окупаются, уменьшая количество заболеваний и повышая производительность труда. В России это встречает значительные затруднения, вызванные многолетним сокращением производства, коррупцией, отсутствием уверенности в завтрашнем дне, насаждением культа потребления, в том числе на государственных телеканалах. Следует понимать, что здоровый образ жизни, нравственная чистота, духовное богатство сами по себе являются ценностью, приносят человеку здоровье, счастье, стойкость в трудных жизненных ситуациях.
Билет № 16
1. Химический состав клетки. Роль воды и минеральных веществ в жизни клетки и организма.
В состав клетки входят неорганические вещества: вода, минеральные соли, – и органические: белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты.
Вода составляет до 80% массы клетки, играет важную роль:
все химические процессы в клетках происходят в водных растворах;
переносит питательные вещества, растения всасывают минеральные соли в растворенном виде;
с водой происходит удаление из организма вредных веществ;
большая теплоемкость воды уменьшает колебания температуры организма;
малая сжимаемость воды обеспечивает упругость (тургор) клетки;
испарение воды способствует охлаждению животных и растений.
Минеральные вещества:
участвуют в поддержании гомеостаза, регулируя поступление воды в клетку, кислотность (pH) среды (буферные системы клетки);
разность концентрации ионов натрия, калия, водорода и др. создают на мембранах клеток разность потенциалов, необходимую для синтеза АТФ, передачи нервных импульсов;
минеральные соли, в первую очередь, фосфаты и карбонаты кальция, придают твердость костной ткани и раковинам моллюсков.
2. Животные – возбудители и переносчики заболеваний человека. Профилактика заболеваний энцефалитом, малярией, дизентерией, чесоткой и др.
Дизентерийная амеба может вызывать тяжелое заболевание желудочно-кишечного тракта – дизентерию.
Дизентерия бывает бактериальная и амебная. Амебная встречается преимущественно в тропическом и субтропическом климате.
Заражение происходит через пищу, воду, грязные руки. Амебы проникают в стенку толстой кишки, вследствие чего образуются язвы. Появляются боли в животе, учащенный стул, кровь в испражнениях, температура обычно не повышена. Профилактика заключается в мытье рук перед едой и после уборной, тщательном мытье овощей и фруктов, кипячении воды.
Профилактика включает своевременное лечение больных, что предотвращает заражение комаров и распространение болезни; обработку помещений от комаров. В водоемы выпускаются рыбки гамбузии, поедающие личинок комаров.
Энцефалит – воспаление головного мозга, – может возникать при гриппе, бешенстве. Клещевой энцефалит – вирусное заболевание, переносчиком которого являются кровососущие иксодовые клещи. Через 2-14 дней после укуса клеща внезапно повышается температура, возникают мучительные головные боли, рвота. Может привести к параличу. Профилактика: в неблагополучных районах не посещать лес в период высокой активности клещей (май-июнь), в дальнейшем заправлять брюки в носки, рубашку в брюки, регулярно проводить осмотр на наличие клещей. Применять репелленты, проходить вакцинацию.
Чесотку вызывает чесоточный клещ, прогрызающий ходы в роговых слоях кожи, напоминающие сероватую царапину. Появляется сильный зуд, сохраняющийся некоторое время и после проведенного лечения. Заражение происходит от человека к человеку при прямом контакте, а также через одежду, постельное белье. Профилактика: регулярно мыть руки с мылом, не носить чужую одежду, не пользоваться чужим бельем.
3. Используя знания о составе и группах крови, дайте научное обоснование значения переливания крови, ее свертывания. Почему при взятии проб крови на анализ следует пользоваться одноразовыми инструментами?
У человека выделяют четыре основные группы крови. В зависимости от наличия в эритроцитах агглютиногенов А или В, человек может иметь группу:
А (содержится А),
В (содержится В),
Переливать кровь можно только ту, которая не содержит агглютиногенов (буквы), которых нет у пациента: нулевую всем, АВ подходит только для АВ, А – для А и АВ, В – для В и АВ. При переливании неподходящей группы происходит склеивание эритроцитов (агглютинация) с последующим разрушением (гемолизом).
Также необходимо учитывать наличие в эритроцитах вещества, называемого резус-фактором (содержится у 85% людей). Агглютинация наступает при переливании резус-отрицательному пациенту крови от резус-положительного донора.
При взятии крови на анализ следует пользоваться одноразовыми инструментами, т.к. это самый надежный способ защиты от заражения ВИЧ и другими заболеваниями, передающимися через кровь. Стерилизация многоразовых инструментов не столь надежна, т.к. может подвести «человеческий фактор».
Загрузка...
