Функционирование биосферы

План

Тема: БИОГЕОЦЕНОЗЫ. БИОСФЕРА И ЭКОСФЕРА

ЛЕКЦИЯ № 6

Цель: Дать понятие биоценоза, биогеоценоза. Изучить структуру биогеоценоза (пространственную, видовую, трофическую), правило Олли, цепи питания, пирамиды чисел, биомасс и энергии. Дать понятие биосферы и экосферы, ноосферы. Рассмотреть общие свойства биосферы, состав и функционирование биосферы, круговорот веществ и энергии, основные функции экосферы.

1. Биогеоценоз.
2. Биосфера.
3. Функционирование биосферы.
4. Экосфера.

Биогеоценоз – однородный участок земной поверхности с определенным составом организмов (бактерии, грибы, растения, животные) и комплексом абиотических компонентов (почва, воздух, солнце и др.), связанных между собой обменом веществ и энергии в единую природную системы.

Составные части биогеоценоза:

1. Биотоп – неживые компоненты биогеоценоза.
2. Биоценоз – совокупность живых компонентов биогеоценоза.

Функциональные составные биоценоза:

1. Фитоценоз – совокупность всех продуцентов биотопа (высшие растения, водоросли, автотрофные бактерии).
2. Зооценоз – совокупность консументов – животных.
3. Микробоценоз - совокупность редуцентов (бактерий и грибов-сапрофитов).

Структура биогеоценоза: пространственная, видовая и трофическая.

Пространственная структура биогеоценоза определяется прежде всего распределением наземной и подземной массы фитоценоза. Выделяют:

1. Вертикальная структура – формируется в условиях различной освещенности – это ярусная структура. В вертикальной структуре лесов выделяют 4 основных яруса: ярус крон, подлесок (образуют кустарники), травянистый ярус, приземный ярус.
2. Горизонтальная структура - мозаичность – расчлененность в горизонтальном направлении. В пределах фитоценоза выделяют микрогруппировки, различающиеся видовым составом, сомкнутостью продуктивностью и другими свойствами. Мозаичность обусловлена рядом причин – неоднородностью микрорельефа, почв, средообразующим влиянием растений и их биологическими свойствами.

Видовая структура – разнообразие видов в биоценозе и соотношение их численности или массы. Различают бедные и богатые видами биоценозы.

Видовой состав зависит в значительной степени от разнородности среды обитания, от длительности существования биоценоза.

H = - p log p, где Н – индекс разнообразия (вычисляется по формуле Шеннона)

р - доля каждого вида в сообществе,

log p - двоичный логарифм р.

виды преобладающие по численности, являются доминантами сообщества. Например, в еловых лесах доминирует ель, в травяном покрове – кислица.

Растения, которые своей жизнедеятельностью в наибольшей степени создают среду для своего сообщества и без которых поэтому существование большинства других видов невозможно, называются эдификаторами. Например, в еловых лесах – ель, в сосновых – сосна.

Консорции – группы разнородных организмов, поселяющихся на теле или в теле особи определенного вида – центрального члена консорции. Например, сосна с ее микоризными грибками, мхами, лишайниками на стволе, со множеством членистоногих, населяющих ее.

Трофическая структура биоценоза. Благодаря пищевым взаимосвязям в биоценозе осуществляется трансформация биогенных веществ, аккумуляция энергии, распределение ее между видами.

Место каждого звена в цепи питания называется трофическим уровнем.

1-й трофический уровень – это продуценты, создатели органической массы или автотрофы.

2-й трофический уровень – растительноядные консументы первого порядка или гетеротрофы.

3-й трофический уровень – плотоядные консументы второго порядка.

4-й трофический уровень – плотоядные консументы третьего порядка.

Последний трофический уровень – редуценты – организмы, разрушающие органические вещества (микроорганизмы – бактерии, грибы-сапрофиты, дрожжи).

Например, трава – кузнечик – просянка – уж – сова.

Трофическую структуру изображают графически в виде экологических пирамид, основой которых являются продуценты.

Экологические пирамиды относят к трем типам:

1. Пирамида численности. Общее число особей, участвующих в цепях питания, с каждым звеном уменьшается (правило пирамиды численности). Для поддержания биомассы одного хищника нужно несколько жертв.
2. Пирамида биомасс. Правило пирамиды биомасс – суммарная масса растений оказывается больше, чем биомасса всех фитофагов и травоядных, а масса тех, в свою очередь, превышает массу всех хищников.
3. Пирамида энергий. Привило пирамиды энергий – большая часть энергии при переходе от одного звена пищевой цепи в другой теряется эти потери составляют 90 %.

Биосфера – оболочка Земли, в которой существует и работает живое вещество.

Впервые термин биосфера применил австралийский биолог Е. Зюсс (1875). Он выделил биосферу как отдельную оболочку Земли, охваченную жизнью.

В 20-х гг. учение о биосфере разработал В.И. Вернадский.

Биосфера охватывает 3 географические оболочки: часть атмосферы, литосферы и всю гидросферу. В атмосфере граница биосферы проходит на высоте до 30 км, в литосфере - на глубине до 10 км (нефтяные скважины).

Эволюция Земли и биосферы:

1. Формирование ранней земной коры, атмосферы и гидросферы. Возникновение геологического круговорота веществ. Земная кора возникла примерно 4,6 млрд лет назад.
2. Предбиологическая (химическая) эволюция (4,6-3,8 млрд лет назад). Происходит синтез и накопление простых органических веществ.
3. Древняя биосфера. Эволюция прокариотического мира. Возникновение биологического круговорота веществ. Формируется кислородная атмосфера.
4. Возникновение эукариот. Заселение суши. Современное биоразнообразие органического мира.

Всю совокупность живых организмов на планете В.И. Вернадский назвал живым веществом.

Косное вещество, по Вернадскому, - это совокупность тех веществ в биосфере, в образовании которых живые организмы не участвуют.

Биогенное вещество создается и перерабатывается жизнью, совокупностями живых организмов. Это каменный уголь, нефть, известняки.

Биокосное вещество, по Вернадскому, создается в биосфере одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя системы динамического равновесия тех и других. Это почвы, все природные воды.

Основные свойства живого вещества:

• Высокоорганизованная внутренняя структура.
• Способность улавливать из окружающей среды и трансформировать вещества и энергию, обеспечивая ими процессы всей жизнедеятельности.
• Способность поддерживать гомеостаз (постоянство внутренней среды организма), несмотря на колебания условий существования, если эти колебания совместимы с жизнью.
• Способность к самовозобновления путем размножения.

Живое вещество существует в форме организмов, которые группируются в виды.

Генотип – программа развития и деятельности организма, записанная в виде общей совокупности генов. Эта программа реализуется в характерных, присущих только данному организму внешних признаках, физиологических, биохимических свойствах, в поведении. Фенотип – совокупность всех свойств и признаков, которые определяются генотипом. За счет фенотипа организм оптимально приспосабливается к окружающей среде. Организмы одного вида имеют схожие, но не одинаковые генотипы и фенотипы. Генофонд – совокупность генотипов всех видов на земле. Поэтому утрата одного вида приведет к уменьшению видового разнообразия и нарушит гармонию во взаимосвязях живого и неживого вещества.

Биосфера – открытая термодинамическая система, получающая энергию в виде лучистой энергии Солнца и тепловой энергии процессов радиоактивного распада веществ земной коры и ядра планеты. Лишь 0,023 % солнечной энергии используют автотрофы в процессе фотосинтеза и запасается в виде химических связей органических веществ. Эта связанная энергия дальше используется консументами и редуцентами в цепях питания и за ее счет живое вещество выполняет полезную работу – концентрирует, трансформирует, аккумулирует и перераспределяет химические элементы в земной коре, дробит агрегирует неживое вещество. Работа живого вещества сопровождается рассеиванием в виде тепла практически всей запасенной в процессе фотосинтеза солнечной энергии. Т.о., в процессе работы биосферы улавливается солнечная энергия, трансформируется (идет на выполнение полезной работы 0 и рассеивается. Эти два процесса подчинены первому и второму законам термодинамики.

Первый закон термодинамики – закон сохранения энергии – энергия не может не возникнуть, не исчезнуть, она может только трансформироваться из одной формы в другую. Количество энергии при этом не изменяется.

Второй закон термодинамики – любая работа сопровождается трансформацией высококачественной энергии в энергию более низкого качества – тепло – и приводит к увеличению энтропии. Закон определяет направление качественных изменений энергии в процессе ее трансформации из одной формы в другую. Закон описывает соотношение полезной и бесполезной работы во время перехода энергии из одной формы в другую и дает понятие о качестве самой энергии.

Энергия – способность системы выполнять полезную работу. Часть энергии используется на выполнение полезной работы, часть рассеивается в виде тепла. Чем больший процент энергии используется на выполнение полезной работы и меньший процент при этом рассеивается в виде тепла, тем высшего качества начальная энергия. Энергия самого низшего качества – это энергия неупорядоченного броуновского движения, т.е. тепловая.

Энтропия – количество энергии самого низшего качества, непригодная для выполнения полезной работы. Упрощенно энтропия – это мера дезорганизации, беспорядка, случайности систем и процессов.

В экологии используют понятие «энтропия экологическая» - количество необратимо рассеянной в пространство тепловой энергии, которая компенсируется трансформированной энергией внешнего источника – Солнца (т.к. биосфера – открытая система). Тепловое рассеивание энергии экосистемами осуществляется двумя путями:

1. Потери тепла из-за разницы температур биоты и окружающей среды.

2. Потери тепла организмами и их сообществами в процессах метаболизма в связи с выделением энергии в ходе экзотермических реакций.

Поток энергии в цепях питания зависит от длины цепочки, которая определяется количеством трофических уровней.

Круговорот веществ в биосфере. Для жизнедеятельности биоте необходимо около 80 химических элементов. Живые организмы берут из окружающей среды химические элементы, используют их для обменных процессов. С продуктами жизнедеятельности или после смерти эти элементы вновь поступают в окружающую среду. Таки образом осуществляется круговорот веществ в природе.

Макроэлементы – химические элементы, которые используются организмами в больших количествах и составляют не менее 0,1% общей массы организма. К ним относятся углерод, кислород, водород, азот, фосфор, сера, калий, магний, кальций. Все эти элементы, за исключением кислорода и водорода, называются также биогенными веществами.

Микроэлементы – элементы, необходимые организмам в меньших количествах (до 0,1%). Это медь, цинк, молибден, бор, йод, кремний и др.

Элемент, входящий в состав молекул, из которой он может быть усвоен организмом, называют доступным, или элементов в доступной форме.

Экосфера – глобальная система, объединяющая экосистемы Земли. Экосфера – совокупность всего живого на планете с его непосредственным окружением и ресурсами. Пространственно экосфера включает в себя атмосферу, биосферу, гидросферу и биофункциональную часть литосферы.

Литература

Акимова Т.А., Хаскин В.В. Экология. – М.: ЮНИТИ, 1998.

Бродский А.К. Краткий курс общей экологии. – С.-Петербург: Деан, 2000.

Боголюбов С.А. Экология. – М.: Знание, 1999.

Воронков Н.А. Экология. – М.: Центр, 1999.

Горелов А.А. Экология. – М.: Центр, 1998.

Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2000.

Мамедов Н.М., Суравегина И.Т. Экология. – М.: Школа-пресс, 1996.

Кучерявий В.П. Екологія. – Львів: Світ, 2001.

Назарук М.М. Основи екологіі та соціоекологіі. – Львів: Афіша, 1999.

Одум Ю. Экология. В 2-х т. – М.: Мир, 1986.

Пономарева И.Н. Общая экология. – М, 1994.

Ситник К.М., Брайтон А.В. Словарь-справочник по экологии. – К, 1994.

Чернова Н.М., Былова А.М. Экология. – М.: Просвещение, 1998.

Чистик О.В. Экология. – Минск: Новое знание, 2000.

Шилов И.А. Экология. – М.: Высшая школа, 1997.

Дата добавления: 2014-01-11