Элементы экологических систем и их характеристика. Биоциноз. Группы организмов и их взаимности в биоцинозах
Надорганизменные системы, которые изучает экология - популяции, биоценозы, экосистемы - чрезвычайно сложны. В них наблюдается огромное количество взаимосвязей, прочность и постоянство которых постоянно меняются. Одни и те же внешние воздействия могут привести к различным, иногда прямо противоположным результатам, в зависимости от того, в каком состоянии находилась система в момент воздействия.
Предвидеть ответные реакции системы на действия конкретных факторов можно лишь через сложный анализ существующих количественных отношений и закономерностей. Поэтому в экологии широкое распространение получил метод математического моделирования как средство изучения и прогнозирования природных процессов.
Одной из первых экологических моделей была модель Вольтерра-Лотки. В любом биоценозе происходит взаимодействие между всеми элементами: особи одного вида взаимодействуют с особями и своего вида, и других видов. Эти взаимодействия могут быть мирными, а могут иметь связь типа «хищник-жертва». Было замечено, что численность хищных рыб колеблется в обратной пропорции относительно колебаний численности мелких рыбешек, которые служат им пищей. Анализ этих колебаний позволил математику Вито Вольтерра (1860 - 1940) вывести необходимые уравнения. Если бы в биоценозе было только два вида (очень большое упрощение), то даже и в этом случае динамика численности каждого из видов сильно отличалась бы от картины их независимого существования.
Биосфера сформировалась по собственному плану без участия человека. Качественно новый этап в развитии биосферы начался с появлением человека в конце третичного периода. Сначала деятельность человека мало отличалась от деятельности других существ. Добывание огня выделило человека из ряда других животных. При этом человек не только сумел расселиться в районы холодного климата, пережить оледенения и защититься от хищников, но и научился уничтожать органические остатки, вмешиваясь в круговорот веществ в биосфере. Сейчас происходит интенсивная перестройка природы в результате человеческой деятельности. Перед человечеством вырисовывается угроза голода, самоотравления, разрушения биологической основы наследственности. Для предотвращения угрозы надо знать ее причины. В этих целях строились глобальные экологические модели.
Практически в построении математических моделей сложных процессов выделяются следующие этапы:
тщательное изучение тех реальных явлений, которые нужно смоделировать; выявление главных компонентов и установление законов, определяющих характер взаимодействия между ними; формулировка тех основных вопросов, ответы на которые должна дать модель;
разработка математической теории, описывающей изучаемые процессы с необходимой детальностью; на ее основе строится модель в виде системы абстрактных взаимодействий; установленные законы должны быть облечены в точную математическую форму; конкретные модели могут быть представлены в виде логической схемы машинной программы;
проверка модели - расчет на основе модели и сличение результатов с действительностью. При этом проверяется правильность сформулированной гипотезы. При значительном расхождении модель отвергают или совершенствуют. При согласованности результатов модели используют для прогноза, вводя в них различные исходные параметры.
Расчетные методы, в случае правильно построенной модели, помогают увидеть то, что трудно или невозможно проверить в эксперименте; позволяют воспроизводить такие процессы, наблюдение которых в природе потребовало бы огромных сил и больших промежутков времени;
В настоящее время моделируют различные по масштабам и характеру процессы, происходящие в реальной среде. Математическими моделями описываются и проверяются разные варианты динамики численности популяций, продукционные процессы в экосистемах, условия стабилизации сообществ, ход восстановления систем при разных типах нарушений. Строятся математические модели по регулированию промыслового усилия, модели промышленных популяций; модели трофических связей по решению проблемы с вредителями, модели эксплуатации лесного хозяйства, стратегические модели использования сырья, математические модели выбора способов производства, модель оптимизации платы за воду и многие другие;
В настоящее время необходимы глобальные математические модели, в которые входили бы подсистемы взаимодействия между атмосферой и водой, атмосферой и поверхностью почвы, процессы в каждом из элементов окружающей среды, взаимодействие верхнего слоя атмосферы с космосом, механизмы саморегулирования в природе, влияние деятельности человека на окружающую среду. При значительном объеме возможностей подобная модель должна быть достаточно детальна для регионов Земли. На такой модели можно будет оценить крупные инженерные решения, деятельность городов, варианты гидросистем, размещение заводов и т.д.
Вид - это совокупность особей, обладающих сходством внутреннего и внешнего строения, биохимических и физиологических функций, свободно скрещивающихся и дающих плодовитое потомство, приспособленных к определенным условиям жизни, обладающих определенным типом взаимоотношений с абиотической (косной) и биотической средой и занимающих в природе определенную область - ареал.
Виды отличаются друг от друга многими признаками. Характерные для вида признаки и свойства называют критериями. Как видно из определения, среди критериев различают: морфологический, физиологический, цитогенетический, экологический и географический.
Благодаря многообразию экологических факторов наблюдается закономерное расселение видов по планете. Колебания интенсивности экологических факторов проявляются в исчезновении некоторых видов с определенных территорий, изменении плотности популяций, показателей рождаемости, смертности. Под влиянием экологических факторов в эволюции сложились такие адаптивные модификации, как зимняя спячка или летняя спячка, диапауза.
Любая особь, популяция, сообщество испытывают одновременное воздействие многих факторов, но лишь некоторые из них являются жизненно важными. Такие факторы называются лимитирующими. Отсутствие этих факторов или их концентрации выше или ниже критических уровней делает невозможным освоение среды особями определенного вида.
Способность вида осваивать разные среды обитания выражается величиной экологической валентности.
Виды, способные пережить лишь небольшие колебания факторов окружающей среды, называются экологически узко приспособленными или стенотопными.
Виды, переживающие значительные отклонения факторов среды от оптимальных величин, называются широко приспособленными или эвритопными.
В качестве регулирующих сил вступают межвидовые и внутривидовые отношения организмов. Разные типы этих отношений определяют быстроту ответных реакций на изменения численности популяций.
Ограничение возможных колебаний численности популяций имеет большое значение не только для их собственного процветания, но и для устойчивого существования сообществ. Успешное сожительство организмов разных видов возможно только при их определенных количественных соотношениях. Естественным отбором закреплены поэтому самые разнообразные заслоны на пути катастрофического увеличения численности популяций, регуляторные механизмы имеют множественный характер.
Динамика численности популяций в естественной обстановке - это автоматически регулируемый процесс, механизмы стабилизации которого отработаны длительной историей совместного развития видов.
В сообществах, искусственно создаваемых человеком или упрощенных в результате антропогенных воздействий, регуляторные связи ослаблены, и поэтому в них возможны как катастрофические для биоценоза размножения отдельных видов - вредителей сельскохозяйственных растений и лесных насаждений, грызунов, паразитов, возбудителей болезней, так и уменьшение численности и распространенности других.
Таким образом, как масштабы, так и ход колебания численности любого вида в природных сообществах исторически обусловлены естественным отбором в зависимости от особенностей биологии, характера внутривидовых связей и межвидовых отношений, к которым приспособлен вид в определенных условиях среды.
Для каждого биологического вида существует оптимум экологических факторов, который характеризуется наибольшей степенью благоприятности для существования вида.
Максимальной степени благоприятности воздействия факторов на организм соответствует умеренная скорость развития организмов при минимальной затрате энергии и наименьшая смертность, а также наибольшая продолжительность существования взрослых особей и их высокая плодовитость
Термин «Биоценоз» был предложен немецким биологом К. Мебиусом (1877). Биоценоз - диалектически развивающееся единство, меняющееся в результате деятельности входящих в него компонентов, вследствие чего происходят закономерные изменение и смена Биоценоза (сукцессии), которые могут приводить к восстановлению резко нарушенных Биоценозов (например, леса после пожара и т.п.)По участию в биогенном круговороте веществ в Биоценозе различают три группы организмов. 1) Продуценты (производители) - автотрофные организмы, создающие органические вещества из неорганических; основные продуценты во всех Биоценозах - зелёные растения (см. Фотосинтез). Деятельность продуцентов определяет исходное накопление органических веществ в Биоценозе(см. Биомасса, Биологическая продуктивность). 2) Консументы (потребители) - гетеротрофные организмы, питающиеся за счёт автотрофных. Консументы 1-го порядка - растительноядные животные, а также паразитические бактерии, грибы и другие бесхлорофильные растения, развивающиеся за счёт живых растений. Консументы 2-го порядка - хищники и паразиты растительноядных организмов. Бывают консументы 3-го и 4-го порядков (сверхпаразиты, суперпаразиты и т.п.), но всего в цепях питания не более 5 звеньев. На каждом последующем трофическом уровне количество биомассы резко снижается. Деятельность консументов способствует превращениям и перемещениям органических веществ в Биоценоз, частичной их минерализации, а также рассеянию энергии, накопленной продуцентами. 3) Редуценты (восстановители) - животные, питающиеся разлагающимися остатками организмов (сапрофаги), и особенно непаразитирующие гетеротрофные микроорганизмы - способствуют минерализации органических веществ, их переходу в усвояемое продуцентами состояние.
Взаимосвязи организмов в Биоценозе многообразны. Кроме трофических связей, определяющих цепи питания (иногда очень своеобразные - см. Паразитизм, Симбиоз), существуют связи, основанные на том, что одни организмы становятся субстратом для других (топические связи), создают необходимый микроклимат и т.п. Часто можно проследить в Биоценоз группы видов, связанные с определённым видом и целиком зависящие от последнего (консорции).
Для Биоценоза характерно разделение на более мелкие подчинённые единицы - мероценозы, т.е. закономерно слагающиеся комплексы, зависящие от Биоценоза в целом (например, комплекс обитателей гниющих дубовых пней в дубраве). Если энергетическим источником Биоценоза служат не автотрофы, а животные (например, летучие мыши в Биоценоз пещер), то такие Биоценозы зависят от притока энергии извне и являются неполноценными, представляя в сущности мероценозы. В Биоценозе можно выделить и другие подчинённые группировки организмов, например синузии. Для Биоценоза также характерно разделение на группировки организмов по вертикали (ярусы Биоценоз). В годовом цикле в Биоценозе изменяются численность, стадии развития и активность отдельных видов, создаются закономерные сезонные аспекты Биоценоз
Изучение Биоценоза важно для рационального освоения земель и водных пространств, т.к. только правильное понимание регулятивных процессов в Биоценоз позволяет человеку изымать часть продукции Биоценоз без его нарушения и уничтожения.
.Роль Мирового океана в стабилизации природных условий на поверхности земли
Трудно переоценить роль Мирового океана в жизни человечества. Он во многом определяет лик планеты в целом, в т. ч. ее климат, круговорот воды на Земле. В океане пролегли жизненно важные водные пути, соединяющие материки и острова. Колоссальны его биологические ресурсы. В Мировом океане обитает более 160 тыс. видов животных и около 10 тыс. видов водорослей. Ежегодно воспроизводимое количество промысловых рыб оценивается в 200 млн. т, из них примерно 1/3 вылавливается. Более 90% мирового улова приходится на прибрежный шельф особенно в умеренных и высоких широтах Северного полушария. Доля Тихого океана в мировом улове - около 60%, Атлантического - около 35%.
Шельф Мирового океана располагает огромными запасами нефти и газа, крупными запасами железо-марганцевых руд и других полезных ископаемых. Человечество еще только приступает к использованию энергетических ресурсов Мирового океана, в т. ч. энергии приливов. На Мировой океан приходится 94% объема гидросферы. С опреснением морских вод связывают решение многих водных проблем будущего.
К сожалению, человечество не всегда разумно пользуется природными ресурсами Мирового океана. Во многих районах истощены его биологические ресурсы. Значительная часть акватории загрязнена отходами антропогенной деятельности, в первую очередь, нефтепродуктами.
Изменения климата обусловлены переменами в земной атмосфере, процессами, происходящими в других частях Земли, таких как океаны, ледники, а также эффектами, сопутствующими деятельности человека. Внешние процессы, формирующие климат, - это изменения солнечной радиации и орбиты Земли,изменение размеров и взаимного расположения материков и океанов, изменение светимости солнца, изменения параметров орбиты Земли, изменение прозрачности атмосферы и ее состава в результате изменений вулканической активности Земли, изменение концентрации парниковых газов (СО2 и CH4) в атмосфере, изменение отражательной способности поверхности Земли (альбедо), изменение количества тепла, имеющегося в глубинах океана.
В масштабе десятилетий климатические изменения могут быть результатом взаимодействия атмосферы и мирового океана. В более длительном масштабе в океанах происходит термохалинная циркуляция, которая играет ключевую роль в перераспределении тепла и может значительно влиять на климат.
В более общем аспекте изменчивость климатической системы является формой гистерезиса, т. е. это значит, что настоящее состояние климата является не только следствием влияния определенных факторов, но также и всей историей его состояния. Например, за десять лет засухи озера частично высыхают, растения погибают, и площадь пустынь увеличивается. Эти условия вызывают, в свою очередь, менее обильные дожди в последующие за засухой годы. Т. о. изменение климата является саморегулирующимся процессом, поскольку окружающая среда реагирует определенным образом на внешние воздействия, и, изменяясь, сама способна воздействовать на климат.
Гидросфера Земли и прежде всего Мировой океан - важные компоненты образования климата. Тепло, масса и энергия движения передаются от атмосферы водам Мирового океана и наоборот. Они соприкасаются друг с другом на 2/3 поверхности Земли. Водооборот образуется за счет того, что с поверхности океана в атмосферу испаряется значительное количество воды. Поверхностные течения в океане формируются атмосферными ветрами, которые переносят большое количество тепла.
Океан является гигантским аккумулятором тепла. Масса океанической воды в 258 раз больше массы атмосферного газа. Для того, чтобы повысить температуру атмосферного газа на 1 С, океанической воде надо отдать то же количество тепловой энергии, в результате которого температура воды уменьшится всего на одну тысячную долю градуса. Такие изменения температуры даже трудно измерить.
Мировой океан изучен слабо. Только недавно обнаружены очень важные особенности циркуляции воды в океане. Так, были обнаружены океанические вихри, подобные циклонам и антициклонам в атмосфере. Диаметр этих вихреобразных кольцевых структур достигает 100 километров. Свойства воды в пределах этих вихрей сильно отличаются от свойств воды окружающей их.
Сушу можно считать пассивным элементом климатической системы. Она за короткие промежутки времени меняется мало. Ее изменяют процессы почвообразования, выветривания, эрозии, опустынивания. За десятки и сотни миллионов лет происходит дрейф континентов, что совершенно меняет облик Земли. И не только лик. Меняются все компоненты климатической системы. Скорость дрейфа континентов составляет несколько сантиметров в год.
Очень подвижны воды Мирового океана. Поверхностные морские течения тесно связаны с движениями атмосферного газа. В Мировом океане имеются и другие системы течений - придонные, приливно-отливные. Происходят также погружения и подъемы глубинных вод. Эти движения вод называют апвелингом. Одна десятая площади поверхности океана занята этими движениями. На поверхности раздела вод с разной плотностью возникают внутренние вол
.Энергетика и окружающая среда
Энергетика и окружающая среда имеют важнейшее значение для устойчивого развития. Деградация природной среды и отсутствие доступа к чистым источникам энергии в наибольшей степени сказываются на малообеспеченных категориях населения. Эти вопросы актуальны в глобальном масштабе, поскольку проблемы изменения климата, истощения биоразнообразия и разрушения озонового слоя не могут быть решены собственными усилиями отдельно взятых стран. ПРООН оказывает государствам помощь в укреплении потенциала по решению этих проблем на национальном, локальном и глобальном уровнях посредством поиска наилучших решений и обмена передовым опытом, консультирования по вопросам инновационных стратегий и объединения усилий партнеров в рамках пилотных проектов, помогающих создавать достойные условия для устойчивой жизнедеятельности.
Современный период развития человечества иногда характеризуют через три «Э»: энергетика, экономика, экология. Энергетика в этом ряду занимает особое место. Она является определяющей и для экономики, и для экологии. От нее в решающей мере зависит экономический потенциал государств и благосостояние людей. Она же оказывает наиболее сильное воздействие на окружающую среду, экосистемы и биосферу в целом. Самые острые экологические проблемы (изменение климата, кислотные осадки, всеобщее загрязнение среды и другие) прямо или косвенно связаны с производством, либо с использованием энергии. Энергетике принадлежит первенство не только в химическом, но и в других видах загрязнения: тепловом, аэрозольном, электромагнитном, радиоактивном. Поэтому не будет преувеличением сказать, что от решения энергетических проблем зависит возможность решения основных экологических проблем. Энергетика - это та отрасль производства, которая развивается невиданно быстрыми темпами. Если численность населения в условиях современного демографического взрыва удваивается за 40-50 лет, то в производстве и потреблении энергии это происходит через каждые 12-15 лет. При таком соотношении темпов роста населения и энергетики, энерговооруженность лавинообразно увеличивается не только в суммарном выражении, но и в расчете на душу населения.
Нет основания ожидать, что темпы производства и потребления энергии в ближайшей перспективе существенно изменятся (некоторое замедление их в промышленно развитых странах компенсируется ростом энерговооруженности стран третьего мира).
В настоящее время энергетические потребности обеспечиваются в основном за счет трех видов энергоресурсов: органического топлива, воды и атомного ядра. Энергия воды и атомная энергия используются человеком после превращения ее в электрическую энергию. В то же время значительное количество энергии, заключенной в органическом топливе, используется в виде тепловой и только часть ее превращается в электрическую. Однако и в том и в другом случае высвобождение энергии из органического топлива связано с его сжиганием, а, следовательно, и с поступлением продуктов горения в окружающую среду. Познакомимся с основными экологическими последствиями современных способов получения и использования энергии.
Современный уровень знаний, а также имеющиеся и находящиеся в стадии разработок технологии дают основание для оптимистических прогнозов: человечеству не грозит тупиковая ситуация ни в отношении исчерпания энергетических ресурсов, ни в плане порождаемых энергетикой экологических проблем. Есть реальные возможности для перехода на альтернативные источники энергии (неисчерпаемые и экологически чистые). С этих позиций современные методы получения энергии можно рассматривать как своего рода переходные. Вопрос заключается в том, какова продолжительность этого переходного периода и какие имеются возможности для его сокращения.
экологическая система биоценоз ноосфера
4. Дать определение понятиям
Экологическое оружие
Сегодня уже ни для кого не секрет, что чрезмерное развитие промышленности за последние сто лет во всём мире, привело, да и продолжает постоянно приводить, к самым что ни на есть трагическим последствиям. Сегодня, уже с полной уверенностью можно сказать, что мировой капитал, ведёт непрекращающуюся ни на минуту химическо-биологичесую войну против всех народов мира. Ведь любой химзавод, расположенный вблизи городской черты; Любое предприятие сбрасывающее в соседнюю речку производственные отходы - любое такое предприятие, является самым что ни на есть оружием массового поражения.
От загрязнения атмосферы болеют и гибнут люди. А от соприкосновения с различными химическими веществами, многие люди работающие на химзаводах, между всем остальным, лишаются половой активности, а значит, и возможности иметь детей. Связи между интенсивным промышленным развитием в современном мире, и всё учащающимися случаями природных бедствий и катаклизмов.
Усиленное промышленное развитие, а главное, погоня того или иного промышленника за лёгкой наживой, ведут в конечном итоге к превращению промышленности, в мошнейшее по своей силе экологическое оружие. Надо заметить, что не только развитые капиталистические страны вредили и вредят экологическому балансу на Земле; Но и страны строившие социализм, находясь значительный промежуток времени под властью псевдокоммунистических режимов - тоже не следили за недопущением вреда природе. Проекты по изменению русла рек, строительство машиностроительных и горнообогатительных заводов в самом центре жилых кварталов - всё это, вместе с вредом наносимым промышленностью Запада, создало и продолжает создавать условия для общемировой экологической катастрофы, первые признаки которой мы уже наблюдаем, в виде всё учащающихся ураганов, оползней, разрушительных землетрясений, и других природных катаклизмов.
Ноосфера - Высшая стадия развития биосферы.
Сфера взаимодействия общества и природы, в пределах которой разумная деятельность предстает главным, определяющим фактором развития биосферы и человечества, называется ноосферой.
Впервые термин "ноосфера" в 1926 - 1927 гг. употребили французские ученые Э. Лекруа (1870 - 1954) и П. Тейяр де Шарден (1881 - 1955) в значении "новый покров", "мыслящий пласт", который, зародившись в конце третичного периода, разворачивается вне биосферы над миром растений и животных. В их представлении ноосфера - идеальная, духовная ("мыслящая") оболочка Земли, возникшая с появлением и развитием человеческого сознания. Заслуга наполнения данного понятия материалистическим содержанием принадлежит академику В.И. Вернадскому (1965, 1978).
Конечный показатель рационального, экономного использования природных ресурсов, сохранения здоровой среды обитания человека. О суммарной экономич. эффективности природоохранительных работ можно судить по затратам на них в отдельных отраслях народного хозяйства. Выражается в устранении дефицита некоторых природных ресурсов, приумножении биологич. запасов, снижении заболеваемости населения, повышении качества и комфортности среды. Важнейшими предпосылками высокой Э. о. п. является социалистич. собственность на природные богатства (землю, недра, леса, растительность и животный мир) и плановая система ведения народного хозяйства. Они позволяют обеспечивать комплексное и рациональное использование природных ресурсов. Большое значение имеют науч. прогнозы и соблюдение принципов экологизации всех производственных процессов - от проектирования до завершающих стадий.
Категории и виды особо охраняемых природных территорий важную роль в сохранении биологического разнообразия
Особо охраняемые природные территории:
это участки земли, водной поверхности и воздушного пространства над ними, где располагаются природные комплексы и объекты, которые имеют особое природоохранное, научное, культурное, эстетическое, рекреационное и оздоровительное значение, изъятые решениями органов государственной власти полностью или частично из хозяйственного использования и для которых установлен режим особой охраны.
С учетом статуса и особенностей режима природопользования на указанных территориях выделяют следующие категории ООПТ:
. государственные природные заповедники, в том числе биосферные;
. национальные парки;
. природные парки;
. государственные природные заказники;
. памятники природы;
. дендрологические парки и ботанические сады;
. лечебно-оздоровительные местности и курорты.
Особо охраняемые природные территории могут иметь федеральное, региональное и местное значение. Территории заповедников и национальных парков относятся к ООПТ федерального значения. Территории государственных заказников, памятников природы, дендрологических парков и ботанических садов, лечебно-оздоровительных местностей и курортов могут быть отнесены либо к ООПТ федерального, либо регионального значения. Природные парки имеют статус ООПТ регионального значения, а лечебно-оздоровительные местности могут объявляться ООПТ местного значения.
Решение об организации ООПТ федерального значения принимает Правительство. Особо охраняемые территории местного значения образуются по решениям органов местного самоуправления, например администрацией районов.
Список использованной литературы
1.В.И. Кормилицын, М.С. Цицкшивили, Ю.И. Яламов «Основы экологии», изд-во - Интерстиль, Москва 1997.
2.Н.А. Воронков «Экология - общая, социальная, прикладная», изд-во - Агар, Москва 1999.