Аутэкология

Аутэкология - раздел экологии, изучающий отношения организмов с окружающей их внешней средой, воздействие на них различных экологических факторов.

Форма воздействия экологических факторов на живые организмы может быть различной

Во-первых, это “устраняющее”, наиболее сильное воздействие. при таком воздействие живые организмы в зоне воздействия либо погибают, либо покидают её, мигрируя в более благоприятную зону (примеры: лесной пожар, сверхнормативный сброс загрязняющих веществ в воду или на почву и др.).

Во -вторых, это мягкое, биологически пассивное воздействие на некоторые биологические характеристики популяции или вида, не вызывающее ответных стойких изменений популяционных или видовых характеристик.

В-третьих- это довольно сильные, биологически активные воздействия на популяцию или вид, которые вызывают заметную ответную реакцию или устойчивую адаптацию.

Закон лимитирующих факторов (по Ю.Либиху).

В природе всегда есть фактор, который лимитирует возможность жизни того или иного организма внутри того или иного биотопа (например, содержание бора в почве лимитирует урожай зерновых, а содержание фосфатов в морской воде - развитие планктона).

Таким образом, для каждого вида существует так называемый “лимитирующий фактор”,к которому данный вид наиболее чувствителен. “Закон минимума” был установлен германским учёным Ю.Либихом в 1840 году.

Лимитирующие факторы среды определяют географический ареал популяции или вида.

Закон толерантности (выносливости) видов по Шелфорду.

У каждого вида живых организмов существуют существуют пределы выносливости по отношениюк каждому фактору внешней среды, между которыми располагается его экологический оптимум. За этими пределами (верхним и нижним значением какого-либо фактора среды) вид существовать не может (см. рис. 1).

Рисунок 1. Закон толерантности В.Шелфорда.

В 1911 году английским учёным Шелфордом был предложен соответствующий закон толерантности (выносливости) видов. По аналогии с химией в экологии употребляется также термин “экологическая валентность” вида, которая обозначает его способность заселять различную среду, характеризующуюся большими или меньшими значениями экологических факторов. Вид с низкой экологической валентностью (толерантностью, выносливостью) приспособлен к узким диапазонам колебаний значений экологических факторов, такой вид называют “стенотопным” (“стено” - узкий, ”топ”- место).

Вид, способный заселять различные местообитания с изменчивыми условиями называют “эвритопным”(“эври” - широкий). Соответственно, при соотнесении этих понятий, например, с температурой воды, виды называют “стенотермными” или “эвритермными”,к солёности воды - “стеногалинными” или “эвригалинными”, к пищевому спектру -”стенофагами” или “эврифагами”.

Экологическая валентность одного и того же вида, как правило, меняется на различных этапах индивидуального развития организма ,или онтогенеза.

Особи на ранних стадиях развития часто обитают в других условиях, чем взрослые организмы. Кроме того, требования организмов одного и того же вида к внешней среде различны в разных участках его ареала, где они адаптируются к различным внешним условиям, иногда меняя при этом свои физиологические, а иногда и анатомические свойства, это явление обычно называют “физиологической адаптацией”.При этом внутри вида образуются различные “экотипы”,или физиологические расы. Если эти изменения закрепляются генетически, то образуются новые устойчивые популяции, географические расы или даже подвиды.

Принцип изменчивости, вариабельности и разнообразия ответных реакций на действие факторов среды у разных особей одного и того же вида.

Этот принцип проявляется при различных наследственных качествах особей, у групп с половыми, возрастными или физиологическими отличиями.

У гидробионтов, например, ранние стадии развития значительно более чувствительны к факторам среды, чем взрослые организмы, а яйца бабочки “мельничной огнёвки” выдерживают мороз до минус 27 градусов, тогда как взрослые бабочки погибают при минус 22 градуса, а гусеницы - при минус 7 градусов.

Поэтому экологическая валентность вида всегда шире экологической валентности отдельной особи.

Принцип взаимодействия факторов.

Примеры. Жару легче переносить в сухом, а не во влажном климате. Угроза замерзания значительно выше в ветреную погоду, чем в затишье.

Одни факторы среды могут частично замещать друг друга: увядание растений можно приостановить путём как увеличения количества влаги в почве, так и снижения температуры воздуха, снижающего испарение. Однако если хотя бы один фактор приближается к своему критическому значению, другие факторы не смогут это возместить.

6.Демэкология(популяционная экология)

Индивидуумы одного вида живых организмов образуют популяции и существуют только в составе популяций.

Под популяцией понимается совокупность особей одного вида, длительно занимающая определённое пространство и воспроизводящая себя в течение большого числа поколений.

Популяция - это элементарная единица эволюционного процесса (по Ч. Дарвину). Явления наследственности, изменчивости и отбора проявляются именно на уровне популяции. Именно популяции делают любой вид живых организмов пластичным, приспособленным к различным условиям существования, даже потенциально бессмертным.

Одной из главных характеристик популяции является её плотность, то есть число особей или биомасса на единице площади или объёма.

Существует много различных методов измерения плотности популяций.

Во-первых, это методы абсолютной оценки (авиаучёт, подводные и наземные наблюдения, прямой визуальный подсчёт и др.).

Во-вторых, это подсчёт организмов в избранных пробных участках, на сьёмках или разрезах (маршрутах).

Для относительных оценок используют также математические модели популяций и метод мечения.

Пространственная структура популяций у разных видов неодинакова. Выделяют 5 типов распределения организмов:

1-равномерное одиночное, 2-случайное одиночное,3-равномерное групповое, случайное групповое, 5-групповое с образованием скоплений групп.

Тип пространственной структуры популяций носит адаптивный характер и обеспечивает оптимальное использование среды, рост и выживание популяции.

При групповом образе жизни может усиливаться конкуренция за пищу или жизненное пространство, однако это неблагоприятное обстоятельство уравновешивается целым рядом преимуществ, способствующих выживанию группы в целом.

Так, группа растений способна лучше противостоять ветру, более эффективно снижать потери воды, чем отдельные особи. Лучше всего положительное влияние объединения выражено у животных: группа успешнее борется с врагами, быстрее находит пищу, создаёт микроклимат в убежище (как, например, пчёлы в улье). Поодиночке они бы погибли все. Интересно, что рыбы в группе могут выдержать большую дозу яда, чем в одиночку, и лучше переносят высокие дозы облучения. при групповом образе жизни облегчается размножение. Например, птица баклан - производитель удобрения “гуано” в Перу, может существовать лишь при условии, что в его колониях насчитывается более 10 тыс. особей и на 1 кв. м приходится не менее 3 птиц. Стадо африканских слонов должно состоять более, чем из 15 особей, северного оленя - из 25-30 голов.

Принцип минимального размера группыобъясняет, почему невозможно спасти виды, ставшие слишком редкими (например, белого журавля в Северной Америке - 40-50 особей).

Информационные (сигнальные) биологические поля.

В целях ориентации, информации, общения между индивидуумами, защиты ареала, живые организмы используют специальные биологические поля, маркируя территорию различными способами. Так, химические сигналы используются для привлечения сородичей к пище. Пахучие следы обеспечивают связь между родителями и потомством, самцами и самками. Например, самцы бабочек-шелкопрядов способны обнаруживать запах самки с расстояния в 10 км и более при весьма низкой концентрации пахучего вещества в воздухе.

При миграциях многих видов определяющее значение имеет общий химический фон. Например, лососи при ходе на нерест ориентируются по запаху воды реки, в которой они родились. Химические вещества могут стимулировать и ускорять половое созревание у многих насекомых, морских животных, обеспечивая тем самым синхронизацию размножения. В некоторых случаях они подавляют другие организмы (например, антибиотики, фитонциды и др.). Образуется своеобразное биохимическое поле, входящее в соответствующий биогеоценоз.

Сигнальное значение имеют также: форма, рисунок и окраска тела животных, а также позы, жестикуляция, мимика, издаваемые звуки. Звуковое общение характерно для птиц, многих млекопитающих, даже рыб и насекомых.

Таким образом, в надорганизменных системах сигнальные биологические поля разной природы представляют собой форму организации потоков информации.

Для восприятия сигнальных полей живые организмы используют различные рецепторные системы: органы зрения, слуха, обоняния, осязания и др. (например, у рыб - органы “боковой линии”).

Флуктуации численности популяций

В естественных условиях большинство популяций живых организмов испытывают периодические флуктуации численности. Так, у зайца-беляка и рыси в Канаде период колебаний численности составляет 9,6 года, причём максимум численности зайца по сравнению с рысью сдвинут обычно на 1-2 года назад (зайцы являются объектами питания рысей). Циклические колебания численности со средним периодом в 4 года характерны для обитателей тундры - полярной совы и песца, а также леминга, которым первые два вида питаются.

В тайге у птицы серого сорокопута, рыжей лисицы и объекта их питания - мыши-полёвки также наблюдаются 4-х -летние циклы.

Период 9,6 лет обычно связывают с периодичностью в активности Солнца. Такие периоды в живой природе встречаются довольно часто, например у канадского лосося. У берегов Перу каждые 7 лет усиливается тёплое течение “Эль- Ниньо”, что вызывает массовую гибель многих рыб и других гидробионтов.

Численность каждой популяции не может превысить определённый предел, лимитируемый обычно пищей.

Поэтому по мере увеличения численности популяции темп её роста замедляется. Таким образом, темп роста популяции - это обратная функция её плотности.

7.Синэкология. Экосистемы, их структура, динамика, энергетика

Совокупность всех живых организмов нашей планеты занимает пространство, именуемое биосферой.

Изучать биосферу, как единый комплекс, чрезвычайно сложно, поэтому принять разделять её на более или менее цельные иерархически связанные звенья (сообщества популяций, биоценозы, биогеоценозы, экосистемы).Рассмотрим свойства этих важных звеньев биосферы.

Сообщества популяций различных видов.

Между популяциями организмов различных видов обычно доминируют следующие виды связей: трофические, фабрические (использование материа-

лов растительного или животного происхождения) и форические (транспортировка одних организмов другими). Каждая популяция занимает в экосистеме определённую “экологическую нишу”. Если популяция одного вида по каким-либо причинам исчезает из ниши, то её место неминуемо занимает популяция какого-либо другого вида, из близкой или далёкой таксономической группы гидробионтов, которая продолжает выполнять в экосистеме функцию исчезнувшей популяции (как в пьесе, роль ушедшего актёра берёт на себя другой актёр).

Если какая-либо экологическая ниша остаётся свободной в биоценозе, то такой биоценоз называют “ненасыщенным”, если заняты все ниши - насыщенным.

Биомы (формации).

Биоценозы (консорции,ассоциации,а также синузии, например, разлагающийся труп животного или ствол мёртвого дерева) образуют комплексы, называемые биомами, или формациями. Примеры биомов: население африканской саванны, американской прерии, лиственных лесов умеренной зоны Европы и т.п.

Биомы объединяют в три основных типа: наземные, пресноводные и морские.

К н а з е м н ы м биомам относят биомы:

- тундры (арктической и альпийской);

-северных хвойных лесов;

-листопадных лесов умеренной зоны;

-тропических джунглей (сельвы);

-тропических степей и саванн;

-жестколистные леса умеренной зоны (пример: эвкаклипты);

-пустынь, и другие.

К п р е с н о в о д н ы м биомам относят:

-стоячие воды, или лентические водоёмы (дат. “lenis” - спокойный)- озёра, пруды;

-проточные воды, или лотические водоёмы (“lotus” - омывающий);

- эстуарии и лиманы.

Среди о к е а н и ч е с к и х и м о р с к и х водоёмов выделяют:

- биомы океанической области;

-биомы континентального шельфа;

-биомы материкового склона и прилежащих к нему подводных возвышенностей;

- биомы островных шельфов, и другие.

.Структура экосистем.

Прежде всего сформулируем, что мы подразумеваем под понятием “экоситема”.

Экосистема - это комплекс живой и неживой природы,обладающий определённой целостностью ,географическим положением и структурно-функциональными связями.

В каждой экосистеме устанавливается баланс процессов синтеза и распада органических веществ, который под воздействием меняющихся внешних факторов, который может быть нарушен вследствие природной катастрофы или негативного воздействия антропогенных факторов.

Экосистемы могут быть различных масштабов, например:

1. Микроэкосистема (ствол мёртвого дерева);

2.Мезоэкосистема (пруд, озеро, лесная поляна и т.п.);

3.Макроэкосистема (океан, континент и т.п.);

4. Мегаэкосистема (биосфера Земли).

Экосистема может быть искусственной (например,жилище,аквариум,космический корабль и т.п.) и естественной.

Естественные экосистемы, по аналогии с биомами, подразделяют на наземные, морские и пресноводные.

Примеры наземных экосистем: арктическая тундра, тайга, листопадные леса умеренного пояса, степи умеренной зоны, саванны ,пустыни, влажные тропические леса (джунгли, сельва и т.п.), горные экосистемы.

Среди морских экосистем выделяют неритические (прибрежные), эстуарные, океанические эпипелагические (приповерхностные) и глубоководные экосистемы.

Наконец, пресноводные экосистемы - это лентические, лотические и заболоченные участки.

Каждая из экосистем представляет собой пирамиду биомасс (см. рисунок 2), в которой каждый более высокий уровень обладает на 1-2 порядка меньшей биомассой, чем предыдущий (кроме биоредуцентов). Таким образом, биомасса (и продукция) последовательных трофических уровней любой экосистемы (снизу вверх) скачкообразно уменьшается от одного уровня к другому. Максимальной является биомасса автотрофов (продуцентов), минимальной - гетеротрофов (консументов высшего порядка).

Рисунок 2. Типовая экологическая пирамида биомасс.

Рисунок 2. Типовая трофическая пирамида в экосистемах.

Автотрофы-продуценты, используя энергию Солнца, синтезируют органические вещества, которые затем используются гетеротрофами - консументами 1-3 порядков. В процессе фотосинтеза продуценты (фитопланктон в водной среде, зелёные хлорофиллосодержащие растения на суше), потребляют из атмосферы углекислый газ и выделяют кислород, обогащая им атмосферу и обеспечивая само существование жизни на нашей планете.

Процесс фотосинтеза. Первичное продуцирование - это процесс синтеза органических веществ из неорганических хлорофиллосодержащими зелёными растениями (в океане -фитопланктоном).

Под воздействием лучистой энергии Солнца углекислота, вода, ферменты и хлорофилл клеток фитопланктона, химически взаимодействуя, преобразуются в протоплазму, состоящую из различных необходимых для жизни органических веществ. Процесс фотосинтеза, как уже говорилось ранее, сопровождается выделением кислорода в атмосферу и поглощением из неё диоксида углерода (углекислого газа):

6СО₂ + 12 Н₂О + 2821,9 Кдж (хлорофилл(С₂Н₁₂О₆ + 6Н₂О + 6О₂

Консументы 1 порядка - это растительноядный зоопланктон и нектон в гидросфере, растительноядные животные на суше. Консументы 2 порядка - зоопланктофаги в гидросфере и мелкие хищники на суше, консументы 3 порядка - крупные хищники-зоофаги.

Пирамида замыкается микроорганизмами и некоторыми грибами -редуцентами, или биоредукторами, которые разлагают отмершие тела и консументов, и продуцентов, и продукты их метаболизма (жизнедеятельности), превращая их вновь в неорганические вещества и отдельные химические элементы. Например, при разложении, древесины очень существенную роль играют некоторые грибы, которые выделяют фермент целлюлазу, размягчающий древесину, что даёт возможность мелким животным проникать внутрь и поглощать размягчённый материал.

Таким образом круг обмена веществ в экологической пирамиде замыкается.

Первичная и вторичная продукция.

Скорость накопления энергии первичными продуцентами в форме органического вещества, которое может быть использовано в пищу, называется первичной продукцией. Хлорофиллом используется примерно 1-5% падающего на растения солнечного света для синтеза органических веществ. Скорость, с которой растения накапливают химическую энергию, называется валовой первичной продукцией (ВПП). Примерно 20% этой энергии расходуется растениями на дыхание и фотодыхание, а остальные 80% - это чистая первичная продукция (ЧПП),это энергия, которую могут использовать организмы следующих трофических уровней. Общее количество органического вещества, накопленного гетеротрофными организмами, называется вторичной продукцией.

Животные, как и растения, тоже теряют часть энергии при дыхании, пищеварении и выделительных процессах, остаточная энергия идёт на рост, поддержание жизнедеятельности и размножение.

Саморегуляция экосистем.

Любая экосистема способна к самоподдержанию и находится в состоянии динамического равновесия. Неограниченному росту биомассы экосистемы препятствуют отношения между её составными частями: продуцентами, консументами и редуцентами. Консументы могут размножаться лишь до тех пор, пока не перерасходуют запасы питательных веществ в экосистеме. Если же они размножатся чрезмерно, то увеличение их численности прекратится само по себе,так как им не хватит пищи.

Продуцентам, в свою очередь, требуется постоянное поступление минеральных веществ, поставляемых редуцентами, при их нехватке биомасса продуцентов сокращается.

Напомним, что организмы различных уровней связаны между собой пищевой ,или “трофической” цепью, например: растения - растительноядные животные-хищники (примеры: “злак-полевая мышь-лиса”, или “кормовые растения -корова - человек”).

Практически каждый вид может питаться различными видами пищи, поэтому в природе трофическая цепь обычно заменяется трофической сетью. Чем сильнее развита эта сеть, тем устойчивее экосистема.

Состояние равновесия основано на взаимодействии биотических и абиотических факторов Среды. Благодаря взаимодействию продуцентов, консументов и редуцентов в каждой экосистеме и в биосфере в целом происходит постоянный круговорот веществ и энергии.

Суточная и сезонная динамика биоценозов (сообществ).

Суточная динамика. В каждом естественном биоценозе имеются группы организмов, активность жизни которых наиболее выражена в разное время суток. Одни активны в ночное время, а днём скрываются в различных убежищах, другие - наоборот, ночью пассивны, но максимально активны в дневное время.

Поэтому в составе и в соотношении численности отдельных видов биоценоза происходят периодические изменения, поскольку отдельные организмы на определённое время выключаются из него. У растений в течение суток также меняются интенсивность и характер физиологических процессов - в ночные часы не осуществляется фотосинтез, у многих растений цветки раскрываются только ночью и опыляются ночными животными, другие же приспособлены к опылению днём. Иными словами для каждого вида животных или растений характерны свои биоритмы, в том числе и суточные. Многие животные совершают суточные миграции: например , зоо - и фитопланктон в Каспийском море днём держится на глубинах 100-350 метров, а ночью поднимается к поверхности. Вертикальные суточные миграции характерны и для обитателей почвы. Суточные изменения происходят со строгой периодичностью, связанной с вращением Земли вокруг собственной оси.

Кроме того, могут происходить краткосрочные изменения состояния биоценозов, связанные с погодными явлениями, так называемые синоптические изменения, например в связи с дождями и ливнями.

В частности, морской планктон во время сильных ливней опускается на глубину из-за сильного опреснения поверхностных слоёв воды.

Сезонная динамика

Биологические циклы животного и растительного мира тесно связаны с сезонами года. Весной и летом у многих видов происходят процессы размножения. Летом у животных усиливается питание и темп роста организмов, зимой эти процессы обычно ослабевают. Живые организмы обычно совершают сезонные миграции, например, у рыб - это нерестовые, кормовые или зимовальные миграции.

У многих растений весеннее цветение сменяется летним плодоношением, активным ростом, а позднее - осенним листопадом и зимним покоем.

И суточные, и сезонные изменения в биоценозах являются адаптациями животных и растений к суточным и сезонным изменениям условий их обитания, они выработаны в процессе длительной эволюции и обеспечивают выживание биоценозов в изменяющихся условиях.

Экологические сукцессии.

В процессе суточной и сезонной динамики целостность биоценозов обычно не нарушается. Биоценоз испытывает лишь периодические колебания своих количественных и качественных характеристик.

Однако в процессе эволюции, а иногда и в течение небольших временных интервалов, когда биоценоз только начал своё развитие, например, в молодом лесу, новом водоёме или в результате пожара или человеческой деятельности, биоценозы претерпевают в природных условиях непериодические целенаправленные изменения. Эти непериодические изменения называют экологической сукцессией.

Сукцессия развивается тогда, когда под воздействием природных или антропогенных факторов биоценоз существенно изменяется или полностью разрушается. В таких случаях развивается другой, новый биоценоз, более приспособленный к новым условиям. Цепь сменяющих друг друга во времени биоценозов называется сукцессионным рядом, или серией. В сукцессионом ряду каждый биоценоз представляет собой определённую стадию формирования конечного, завершающего, или так называемого климаксового сообщества.

По мере смены биоценозов сообщества усложняются, совершенствуются связи между популяциями. Менее приспособленные к новым условиям виды сменяются более приспособленными, до тех пор, пока не появятся виды, которых условия среды полностью устраивают и они уже не замещаются новыми видами. В результате сообщество становится стабильным, устойчивым, и достигает завершающей стадии - климаксового состояния.

Экологические сукцессии тесно связаны с геологическими и климатическими изменениями, а также эволюцией видов.

В ряде случаев экологические сукцессии происходят в быстром темпе. Например, лесной пожар моментально уничтожает сложившийся на протяжении десятилетий устойчивый биоценоз, и на пожарище довольно быстро создаётся новое сообщество. При этом наблюдается частая смена сообществ. В конечном счёте устанавливается биоценоз исходного типа, или незначительно отличающийся от исходного.

Классическим примером сукцессии является формирование елового леса на брошенных землях или после лесного пожара.

Первыми на заброшенной пашне из деревьев появляются берёза, осина и ольха, поскольку семена этих деревьев легко разносятся ветром. Таких первопоселенцев называют “пионерами”. Пионеры, постепенно изменяя среду, создают условия, пригодные для “растений-захватчиков”, вытесняющих пионеров. “Захватчики” в свою очередь изменяют среду и замещаются более приспособленными к новым условиям видами.

Условия, благоприятные для ели, например, создаются только после смыкания крон берёз, то есть примерно через 30-50 лет. Постепенно формируется смешанный лес. Он существует сравнительно недолго, так как светолюбивые берёзы не выносят затенения и под пологом елей молодые берёзы не растут. Устойчивый еловый лес на заброшенной пашне или на пожарище формируется примерно через 80-120 лет после первых всходов берёзы. Берёза - ольха - осина -ель - являются так называемыми “доминантами”, которых сопровождают много других растений- консортов.

Различают сукцессии первичные и вторичные. Первичная сукцессия развивается на абсолютно лишённом жизни месте. При первичной сукцессии скорость изменений невелика. Примерами первичных сукцессий является формирование жизни на вновь появившейся песчаной дюне, на застывшем лавовом потоке, в послеледниковый период, после поднятия из воды островов и т.п.

Вторичная сукцессия развивается на месте, где раньше существовал хорошо развитый биоценоз. В таких местах обычно сохраняются богатые жизненные ресурсы - органика, микроэлементы и т.п. Поэтому вторичные сукцессии приводят к образованию климаксового сообщества значительно быстрее, чем первичные.

В современных условиях вторичные сукцессии происходят повсеместно после пожаров, наводнений, распашки целинных земель, вырубки лесов, осушения болот, строительства плотин, водохранилищ и т.п.

Подводя итоги разделу о сукцессиях биоценозов, можно отметить следующие основные особенности этих процессов:

1. Видовой состав растений и животных в процессе сукцессии изменяется, одни виды замещаются другими (пример: берёза –ольха –осина -ель).

2. Биомасса органического вещества увеличивается по ходу сукцессии и происходит это вследствие накопления в биотопе разлагающейся в результате жизнедеятельности органики.

3.Видовое разнообразие имеет тенденцию увеличиваться по ходу сукцессии, вследствие того, что по мере роста биомассы растёт число экологических ниш (например, в лесу биомасса растёт за счёт лесной подстилки, гумуса, коры, сухостоя и т.п.). Наиболее интенсивно растёт биомасса гетеротрофов.

4. Продуктивность сообщества на разных стадиях сукцессии различна, постепенно она возрастает до определённого максимума, ограниченного ёмкостью среды.

Сначала органического материала создаётся больше, чем необходимо для жизнедеятельности сообщества, поэтому наблюдается интенсивный рост биомассы. Но затем, по мере роста расходов на дыхание, рост биомассы замедляется и эти процессы уравновешиваются.

8. Круговороты веществ в природе, биогеохимичнские циклы.

Живое вещество биосферы играет огромную роль в круговороте веществ в природе. Оно захватывает энергию Солнца, создаёт химические соединения, при распаде которых эта энергия освобождается в форме, способной производить химическую работу. Химические элементы циркулируют в биосфере из внешней Среды в организмы и обратно, Практически в биосфере все атомы подавляющего числа элементов периодической системы Д.И.Менделеева прошли в своей истории через состояние живого вещества.

В круговоротах различают два фонда веществ:

1-резервный фонд (большая часть медленно движущихся веществ, слабо связанных с организмами;

2-обменный фонд (меньший, но более активный, для которого характерен быстрый обмен между организмами и их непосредственным окружением).

Биогеохимические круговороты бывают двух основных типов: 1) круговороты газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере, и 2) осадочные циклы с резервным фондом в земной коре.

На рис представлена упрощенная схема биогеохимического цикла.

Рассмотрим, как в общих чертах происходит круговорот отдельных элементов на примере важных для всего живого “биогенных элементов” - фосфора и углерода.

Рисунок 3. Круговорот фосфора в природе.

Фосфор является важной частью протоплазмы живых организмов как животных, так и растений. Биоредуценты (микроорганизмы) минерализуют органические соединения из отмершей органики в фосфаты, которые снова могут использоваться растениями. Много фосфатов со сточными водами попадают в моря и океаны, где пройдя через пищевые цепи погружаются на большие глубины, частично они вновь используются морскими экосистемами благодаря явлению апвеллинга. Частичный возврат фосфатов на сушу происходит с помощью морских птиц (на берегах Перу и близлежащих островов имеются огромные залежи “гуано” - помёта колоссального количества обитающих здесь морских птиц). Кроме того, фосфаты возвращаются на сушу в виде выловленных фосфоросодержащих морских и океанических рыб (ежегодно это около 90 млн.тонн).

Резервуаром, или резервным фондом фосфора, служат горные породы или другие отложения, образовавшиеся в прошлые геологические эпохи. Породы эти постепенно поднимаются, подвергаются эрозии и высвобождают фосфаты, которые вновь поступают в экосистемы (см. рис.).

Круговорот углерода.

Рисунок 4. Круговорот углерода в природе.

Содержание углерода в большинстве живых организмов составляет около 45% от их сухой биомассы. Первый этап круговорота углерода - это поглощение углекислого газа из атмосферы в процессе фотосинтеза. Часть поглощённого углерода используется на образование органических веществ с выделением кислорода. При этом часть органических веществ, разлагаясь, расходуется при дыхании, а углекислый газ возвращается в атмосферу. Второй этап - это использование органических веществ животными и растениями при питании и частичное возвращение углерода в атмосферу при дыхании. Третий этап - это частичный уход органики животных и растений в почву. Мёртвая органика разлагается с выделением углекислого газа. Кроме того, сами микроорганизмы и корни растений при дыхании выделяют углекислый газ (происходит так называемое “почвенное дыхание”). Часто из-за недостатка воздуха или высокой кислотности,органика не разлагается полностью, и в почвах накапливается “гумус”, торф,образуются торфяные болота со слоем торфа до 20 м и более. В океане часть углерода в составе мёртвой органики оседает на дно в виде осадочных пород, например, известняков. То есть происходит замедление круговорота: органические вещества накапливаются в виде ископаемых пород - каменного угля, нефти или сланцев, часть углерода при этом переходит в резервный фонд, из которого высвобождается при разработках полезных ископаемых, природных катастрофах, или вымывается из поднявшихся к поверхности земли или дна океана пород.

Океан и атмосфера тесно связаны между собой интенсивным обменом углекислого газа. Океан является основным регулятором содержания СО₂ в атмосфере: днём, при интенсивном фотосинтезе, углекислый газ интенсивно расходуется из атмосферы и из растворённых в воде карбонатов, а ночью, за счёт дыхания растений и животных этот газ вновь выделяется в атмосферу, а часть его снова переходит в карбонаты.

Нарушение баланса углерода под влиянием человеческой деятельности.

За последние 100 лет баланс в круговороте углерода под влиянием человека серьёзно нарушился: содержание углекислого газа в атмосфере возросла на 13%.

Главная причина - сжигание огромного количества горючих углеродосодержащих ископаемых (нефти, газа, угля и др.),в которых углерод накапливался в течение миллионов лет.

В норме содержание СО₂ в атмосфере - 0,032%. по прогнозам, при увеличении его содержания вдвое, то есть до 0,064%, средняя температура на поверхности Земли повысится на 3-4 градуса С. при нагреве воды ещё более увеличится ее способность растворять углекислый газ, в результате ввиду “парникового эффекта” - растают вечные льды и уровень океана поднимется на 50-60 м. Вода затопит ряд стран целиком, все приморские территории, города и порты.

Это произойдёт уже в середине ХХ1 века, если антропогенное поступление углекислого газа в атмосферу существенно не уменьшится.

Другие элементы. По аналогии с фосфором и углеродом круговороты в природе совершают и все другие элементы.

Однако человеческая деятельность активно нарушает естественные природные круговороты веществ. В одних местах происходит накопление каких-либо веществ, в других наступает их дефицит.

По своим масштабам и последствиям воздействие человека на природу стало сравнимо с крупными геологическими процессами, то есть в ХХ веке человек и его деятельность стали самостоятельной геологической силой.

Дата добавления: 2014-09-10; просмотров: 797; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!