Закон екологічної піраміди: Повне використання чи перетворення речовини, енергії або інформації в системі без втрат неможливо

Цей закон широко відомий у біологів як правило трофічної (харчової) піраміди, а в інженерів - як другий закон термодинаміки.

Для підтримки життя потрібні енергія та поживна речовина. їх першоджерелом є Сонце, енергія якого дозволяє продуцентам (рослинам та найпростішим) з вуглекислого газу та води будувати біомолекули власного тіла (білки, жири, вуглеводи, нуклеїнові кислоти) за рівнянням (7).

Для утворення одного молю глюкози, а це 180 г, необхідно 264 г вуглекислого газу, 108 г води і 6,7*10⁴ калорії енергії. Так утворюється перший щабель (рівень) піраміди - її фундамент, представлений автотрофними організмами (рослинами) - продуцентами.

Другий рівень трофічної піраміди займають рослиноїдні гетеротрофні організми - тварини (консументи-1), третій - хижаки (консументи-2) і так далі, аж до редуцентів (мікроорганізмів), які перетворюють органічну речовину в мінеральну, замикаючи кругообіг.

На кожному рівні піраміди живлення поглинута їжа, тобто речовина й енергія, засвоюється не повністю, а згідно з рівнянням:

де Р - поглинута їжа; З - збільшення маси (енергії) консумента; Д - витрати енергії на "дихання", тобто на підтримку процесів у клітинах та органах; В - виділення невикористаної їжі у вигляді екскрементів.

Відношення

називають коефіцієнтом використання їжі, або (за аналогією зі штучними системами) коефіцієнтом корисної дії. Ця величина мала, оскільки витрати на "дихання" набагато більші, ніж величина 3.

Як приклад у табл. 6.2 наведені дані, що характеризують триланцюгову трофічну піраміду.

Таблиця 6.2 Екологічна піраміда

У цілому по біосфері вважається, що екосистеми суші стабільні за такого співвідношення використання рослинної продукції: 0,90 - бактерії, гриби; біля 0,10 - хробаки, молюски, членистоногі; біля 0,01 -хребетні тварини.

Штучні людські творіння (машини, механізми, апарати), як правило, мають кращу енергетичну ефективність, ніж природні; їх ККД 30..95%. Але в штучних системах, які характеризуються великою кількістю щаблів піраміди, коефіцієнт використання природного ресурсу (КВПР) теж буде невеликим.

13. Що вивчає синекологія?

Синекологія, розділ екології, присвячений вивченню життя біоценозов, тобто багатовидових співтовариств тварин, рослин і мікроорганізмів.

Синекологія (екологія угруповань, біоценозів - біоценологія) – вивчає угруповання організмів, що населяють екосистеми та взаємодію їх з абіотичними факторами середовища.

16. В чому полягає біологічна та екологічна рівновага?

Екологічна рівновага - це стан екосистеми, при якому зберігаються постійними біологічне різноманіття (склад біоти), біологічна продукція і кругообіг елементів живлення.

Абсолютна екологічну рівновагу неможливо, так як на екосистему постійно впливають змінюються зовнішні екологічні фактори, що викликає флуктуації екосистем з підвищенням і зниженням чисельності популяцій різних видів, їх біологічної продукції. (Приклад - коливання врожаю сіна на одному і тому ж ділянці сінокосу в сухий і вологий роки. У РБ в рік посуху врожай сіна може знижуватися в 10 разів.)

При екологічній рівновазі все засвоєні організмами екосистеми елементи повертаються в середу і здійснюють багаторазові кругообіги. Кількість новопосталої рослинного органічної речовини виявляється приблизно рівним тому, який було використано гетеротрофами, а потім зруйновано редуцентамі. Вся засвоєна в процесі фотосинтезу енергія поступово розсіюється.

Екологічна рівновага виникає в результаті "ринкових" відносин організмів при конкуренції, взаємовідносинах "фітофаг - рослина", "хижак - жертва" і "паразит - господар", мутуалізм. Велику роль у підтримці екологічної рівноваги грають редуценти. Екологічна рівновага можливо на будь-якому рівні, від невеликих екосистем і їх блоків (рослина - фітофаг - зоофаги) до біосфери в цілому.

Збереження екологічної рівноваги в екосистемах - головне завдання при формуванні стратегії співіснування людини і природи в суспільстві сталого розвитку (див.

розділ 16). У рамках цієї стратегії можна сформулювати чотири основні варіанти ставлення людини до екологічній безпеці:

збереження екологічної рівноваги за рахунок мінімізації втручання в екосистеми (особливо охоронювані природні території);

підтримання екологічної рівноваги при раціональному природокористуванні в природних екосистемах, коли вплив людини не досягає рівня, що руйнує ці екосистеми;

конструювання екологічної рівноваги - створення такої структури штучної екосистеми, при якій винесення з неї елементів живлення компенсується антропогенними субсидіями. Це можливо при створенні агроекосистем (глава 10).

Захист екологічної рівноваги природних і сільськогосподарських екосистем від впливу екосистем, в яких неможливо створити рівновагу (міські та промислові екосистеми, глави 1 Екологічна рівновага — це відносний баланс стійкості видового складу живих організмів, їх чисельності, продуктивності, просторового розміщення, сезонних змін, біотичного кругообігу речовин та інших біологічних процесів у природних або змінених людиною екологічних системах.1-12).

Біологічна рівновага -

14. Що означає термін ланцюг живлення?

Ланцюг живлення — це ряд організмів різних видів, через яких відбувається перенесення енергії від її джерела (продуцентів) через ряд організмів. Усі живі організми зв'язані між собою енергетично, оскільки є об'єктами живлення інших організмів. Ланцюги живлення поділяють на два типи. Один з них починається з рослин (продуцентів), іде до рослиноїдних тварин і далі до хижаків (пасовищного типу, або ланцюги виїдання). Інший тип починається від решток організмів і йде до сапротрофів, які живляться цими рештками. Внаслідок діяльності цих організмів утворюється напіврозкладена органічна маса — детрит (детритного типу, або ланцюги розкладення). Приклад ланцюга живлення першого типу: рослина, рослиноїдні комахи (коники), ко-махоїдні хребетні (жаба), хижі хребетні (вуж), редуценти (мікроорганізми, гриби). Приклад ланцюга живлення другого типу: рештки рослин, дощові черви, кроти, редуценти.

Ланцюги живлення складаються не більше ніж із 2-5 ланок. Це пояснюється тим, що всі види, які утворюють ланцюги живлення, існують за рахунок органічної речовини, виробленої автотрофними організмами (продуцентами). Але ці організми використовують лише приблизно 1% променистої енергії Сонця, що потрапляє на них, перетворюючи цю енергію в потенціальну енергію хімічних зв'язків синтезованих ними органічних речовин. Ця органічна речовина може використовуватись гетеротрофними організмами (консументами). Коли тварина з'їдає рослину, то 80-95% енергії, що міститься в їжі, використовується на різні процеси життєдіяльності, перетворюючись при цьому на тепло, і таким чином розсіюється. Лише 5-20% енергії їжі переходить у новосинтезовану органічну речовину тіла тварини. Те саме відбувається, якщо рослиноїдну тварину з'їсть хижак, і т.д. Внаслідок таких великих втрат енергії при переході з одного трофічного рівня до іншого (від продуцентів — до консуметів І порядку, від консуметів І порядку — до консументів II порядку і тд.) ланцюги живлення не можуть бути нескінченно довгими і звичайно складаються не більше як з 2-5 ланок.

17. Що таке природний кругообіг речовин?

Кругообіг речовин - це їхня багаторазова участь у природних процесах, що споконвічно відбуваються в геосферах.

Процеси фотосинтезу органічної речовини з неорганічних компонентів триває мільйони років і за такий час хімічні елементи повинні були перейти з однієї форми в іншу. Однак цього не відбувається завдяки їх кругообігу в біосфері. Щорічно фотосинтезуючі організми засвоюють майже 350 млрд. т вуглекислого газу, виділяють до атмосфери біля 250 млрд. т кисню і розщіплюють 140 млрд. т води, утворюючи понад 230 млрд. т органічної речовини (в перерахунку на суху вагу).

Величезні кількості води проходять через рослини та водорості в процесі забезпечення транспортної функції та випаровування. Це призводить до того, що вода поверхневого шару океану фільтрується планктоном за 40 днів, а вся інша вода океану - приблизно за рік. Весь вуглекислий газ атмосфери поновлюється за декілька сотен років, а кисень за декілька тисяч років. Щорічно фотосинтезом до кругообігу включається 6 млрд. т азоту, 210 млрд. т фосфору та велика кількість інших елементів (калій, натрій, кальцій, магний, сірка, залізо та ін.). Існування цих кругообігів придає екосистемі певну тривалість.

Розрізняють два основних кругообіга: великий (геологічний) і малий (біотичний).

Великій кругообіг, триває мільйони років і полягає в тому, що гірські породи підлягають руйнуванню, а продукти вивітрювання (в тому числі розчинні у воді поживні речовини) сносятся потоками води у Світовий океан, де вони утворюють морські напластування і лише частково повертаються на сушу із опадами. Геотектонічні зміни, процеси опускання материків і підняття морського дна, переміщення морів та океанів на протязі тривалого часу призводять до того, що ці напластування повертаються на сушу і процес починається знов.

Малий кругообіг (частина великого) відбувається на рівні екосистеми і полягає в тому, що поживні речовини, вода і вуглець акумулюються в речовині рослин, витрачаються на побудову тіла і на життєві процеси як самих цих рослин, так і інших організмів (як правило тварин), що з'їдають ці рослини (консументи). Продукти розпаду органічної речовини під дією деструкторів та мікроорганізмів (бактерії, гриби, черві) знов розлагаются до мінеральних компонентів, доступних рослинам і що втягуються ними у потоки речовини. Кругообіг хімічних речовин з неорганічного середовища через рослинні та тваринні організми назад у неорганічне середовище з використанням сонячної енергії та енергії хімічних реакцій називається біогеохімічним циклом. У такі цикли втягнуті практично всі хімічні елементи і насамперед ті, що беруть участь в побудові живої клітини. Так, тіло людини складається з кисню (62.8%), вуглецю (19.37%), водню (9.31%), азоту (5.14%), кальцію (1.38%), фосфору (0.64%) та ще приблизно з 30 елементів.

18. Якими основними методами користується екологія?

Методы экологии подразделяются на полевые (изучение жизни организмов и их сообществ в естественных условиях, т. е. длительное наблюдение в природе с помощью различной аппаратуры) и экспериментальные (эксперименты в стационарных лабораториях, где имеется возможность не только варьировать, но и строго контролировать влияние на живые организмы любых факторов по заданной программе). При этом экологи оперируют не только биологическими, но и современными физическими и химическими методами, используют моделирование биологических явлений, т. е. воспроизведение в искусственных экосистемах различных процессов, происходящих в живой природе. Посредством моделирования можно изучить поведение любой системы с целью оценки возможных последствий применения различных стратегий и методов управления ресурсами, т. е. для экологического прогнозирования.

Для изучения и прогнозирования природных процессов широко используется также метод математического моделирования. Такие модели экосистем строятся на основе многочисленных сведений, накопленных в полевых и лабораторных условиях. При этом правильно построенные математические модели помогают увидеть то, что трудно или невозможно проверить в эксперименте. Однако сама по себе математическая модель не может служить абсолютным доказательством правильности той или иной гипотезы, но она служит одним из путей анализа реальности.

Сочетание полевых и экспериментальных методов исследования позволяет экологу выяснить все аспекты взаимоотношений между живыми организмами и многочисленными факторами окружающей среды, что позволит не только восстановить динамическое равновесие природы, но и управлять экосистемами.

19. З якими науками пов’язана екологія?

Методологи сучасної екології підкреслюють інтеграційну орієнтованість екології_; визначаючи її місце в системі наук: екологія є окремою галуззю наукових знань і, водночас, наукою, пов'язана або суміжна з багатьма ділянками природничих, гуманітарних чи технічних наук, різноманітними сферами людської діяльності. Екологія спирається на piзнi науки, з якими пов'язана своїм походженням (наприклад, з біологією), чи об'єктом дослідження (географія, геологія).

Найтісніше екологія пов'язана з природничими науками: землезнавством, біологією, космологією, оскільки кожна з цих наук розкриває істотні риси власне екологічних об'єктiв екосистем та взаємин мiж організмами. 3емлезнавствостворює о6раз неорганічної природи, 6іологія - живих систем, а космологія - міжпланетного довкілля, в якому виникла i функціонує 6іосфера 3емлі.

Екологія має тicнi взаємозв'язки з фундаментальними теоріями - еволюційною, інформатикою, соціологією На базі цих теорій набувають раціонального пояснення численні екологічні явища. Медицина, біотехнологія, сільськогосподарські науки, урбаністика, охорона природи i космонавтика окреслюють прикладні можливості екології. Дійсно, починаючи з рільничої справи й закінчуючи вивченням космосу люди мають справу з певним довкіллям - сприятливим чи несприятливим. Урахування його осо6ливостей, змін, принципів управління ним дають змогу підтримyвати сталість Людського існування иа piвнi окремого iндивiдa та Людських спільнот.

Нарешті, сучасна екологія тісно взаємoдiє зі сферою філософського знання. Філософія екології вивчає та оптимізує сам процес екологічного пізнання, осмислюючи мoжливocтi його подальшого розвитку. У результаті людинознавство отримує вiд екології нове розуміння Людини i життя. Філософські проблеми входять у предмет таких розділів екології, як соціальна екологія, інтелектуальна екологія; екологія культури, екологія духу. Озброївшись новою - екологічною - філософією, ми повинні в ХХІ столітті спрямувати всю силу свого інтелекту на гли6оке, всебічне вивчення 6іосфери, всіх складових природного середовища, обстежити завдані їй рани й віднайти засоби її лікування та відновлення.

Поставлене завдання може бути вирішено лише за однієї умови всі люди
зобов'язані гли6око оволодіти комплексною інтегральною наукою про дoвкiлля новою філософією нашого виживання й подальшого збалансованого розвитку цивілізації.

Отже, предмет екології багатоаспектний.

20. Наведіть класифікацію екологічних факторів.

В основній класифікації усі екологічні фактори поділяють на три великі групи - абіотичні, біотичні й антропогенні (рис. 3.3). Абіотичними факторами називають все, що впливає на організми з боку неживої природи. Біотичні, навпаки, - все, що впливає на організми з боку живої природи. Антропогенними факторами є усі види діяльності людини, які впливають на живі організми.

Дата добавления: 2015-05-24