- •Введение
- •Общее понятие об экосистемах
- •1.1. Экосистема и плодородие
- •Биотехнология
- •Плодородие
- •2. Химическая природа кальция
- •0,560 СаО СаСо3 1,785
- •2,497 СаСо3 Са 0,400
- •3. Кальций в земной коре
- •4. Кальций в почвах
- •4.1. Цеолиты и специфическая роль в них кальция
- •4.2. Активность ионов кальция и водорода в мощном черноземе
- •4.3. Кальций и фосфаты в почвах и растениях
- •4.4. Гипсование и известкование почв
- •5. Кальций в природных водах
- •5.1. Состав и свойства воды как растворителя по а.М. Никанорову и др.
- •5.2. Химизм природной воды
- •6. Кальций в организмах
- •6.1. Кальций в растениях
- •6.1.1. Влияние кальция на корневую систему растений и рН
- •6.1.2. Соединения кальция в растениях
- •6.1.3. Питательная среда и специфическая роль кальция
- •6.1.4. Повышение устойчивости растений под влиянием кальция
- •6.1.5. Кальций в жизни растений
- •6.2. Кальций в организме человека и животных
- •6.2.1. Транспорт ионов кальция, мембранные рецепторы и внутриклеточный кальций
- •6.2.2. Значение кальция в жизни организмов
- •7. Экологические функции кальция
- •7.1. Сорбирование урана поверхностью карбонатов
- •Заключение
- •Литература
Общее понятие об экосистемах
Экосистема (от греч. oikos - жилище, местопребывание и система) - единый природный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания (атмосфера, почва, водоем, лес, луг, болото, море, океан и т.п.), в котором живые и косные компоненты связаны между собой обменом вещества и энергии. Понятие экосистема применимо к природным объектам различной сложности и размеров: океан или небольшой пруд, тайга или участок березовой рощи. Термин “экосистема” ввел английский фитоценолог А. Тенсли (А.Tansley, 1935). Часто термины “экосистема” и “биогеоценоз” употребляют как синонимы. Экосистема - одно из ключевых понятий современной биологии. Так называют целостный природный комплекс, образованный живыми организмами и неживой средой их обитания (почвой, водой, климатом). Экосистемой является и озеро, и океан, и тайга, и даже небольшой домашний аквариум (искусственная экосистема). Все растения, входящие в экосистему, именуются фитоценозом, все животные - зооценозом. Вместе животные, растения, грибы и микроорганизмы экосистемы образуют биоценоз.
Живые организмы в экосистеме обмениваются веществом и энергией. Между ними возникают пищевые цепи (цепи питания) - т. е. взаимоотношения «пища - потребитель». Полученная энергия переходит от растений к растительноядным животным, а от них - к плотоядным животным. Таким образом, в пищевой цепи возникает несколько звеньев, или уровней.
Продуценты (лат. «производящий», «создающий») - автотрофные организмы, создающие органическое вещество из неорганического (см. Автотрофы). Эсновные продуценты на Земле - зелёные растения, синезелёные водоросли и некоторые бактерии. Продуценты составляют основу любой цепи питания, её первое звено.
Первичные консументы - это растительноядные животные (фитофаги), потребители готового органического продукта.
Плотоядные животные (хищники) - третий уровень в пищевой цепи, вторичные консументы. Они поедают растительноядных животных.
Кроме того, в пищевые цепочки обычно входят редуценты - грибы и микроорганизмы, которые питаются остатками других организмов. Они разрушают мёртвое органическое вещество, разлагают его на более простые соединения. Пищевая цепь чаще всего включает от 2 до 5 уровней. Это связано с тем, что на каждом уровне теряется и расходуется около 80-90% полученной энергии. Поэтому лишь небольшая часть энергии может достигать верхних уровней. Потоки энергии на каждом следующем уровне уменьшаются в несколько раз. Эта закономерность носит название правила экологической пирамиды. В любой реальной экосистеме существует не одна, а множество пищевых цепей. Соединяясь, они образуют сложную сеть питания.
В понятие экосистема входят и другие определения, важные для понимания сложной и целостной природы экосистемы.
Экосистема человека - система, включающая людей, сельскохозяйственные растения и домашних животных.
Экосправедливость - справедливое участие в распределение экологических благ и ресурсов и справедливый доступ к ним.
Экосфера – биологическая система, включающая живые организмы и окружающую среду, в которой они взаимодействуют друг с другом.
Экотип (от греч. oikos - жилище, местопребывание и тип) – группа однородных популяций, однородных популяций в пределах одного и того же вида растений, у которых в процессе приспособления к условиям местообитания выработались наследственно закрепленные морфологические, физиологические, биохимические и др. особенности. Чем обширнее ареал вида и разнообразнее экологические условия, тем больше у него число экотипов (напр., у сосны обыкновенной выделяют 36 экотипов). Экотип это наследственно устойчивая форма данного вида, свойственная определенным почвенно-климатическим условиям внутри его ареала и приспособленная отбором к существованию в этих условиях. Экотип это единица эколого-географической систематики культурных растений.
Экотон – переходная полоса между легко физиологически отличимыми сообществами (напр., опушка леса). Экотон обычно населен организмами значительно гуще, чем сами контактирующие сообщества.
Экотоп - местообитание биогеоценоза, сообщества. Термин близкий к биотопу, но с подчеркиванием внешних по отношению к сообществу факторов среды.
Биосфера. Все живые организмы планеты объединяются в биосферу - глобальную экосистему Земли. В неё входит и вся неживая физическая среда, с которой они взаимодействуют. Биосфера охватывает моря, реки, океаны - гидросферу планеты, в атмосферу простирается на высоту в 20-25 км, и в глубь литосферы — на 2-3 км. Впервые понятие «биосфера» ввёл в 1875 г. австрийский учёный Э. Зюсс. Создателем современного учения о биосфере является русский и советский учёный Владимир Иванович Вернадский (1863-1945). Для всех живых организмов биосферы он предложил название «живое вещество». Согласно учению Вернадского, живые организмы проявляют себя как геохимический фактор всепланетного масштаба. С появлением человека и развитием цивилизации стала формироваться ноосфера («сфера разума»). Появление ноосферы означает, что биосфера перешла в новое состояние, при котором разумная деятельность человека становится решающим фактором её развития.
Круговорот веществ. Между неживой природой и живыми организмами постоянно происходит обмен веществ. Когда организмы погибают, их вещества возвращаются в окружающую среду. Эти повторяющиеся природные процессы носят название биогенного круговорота веществ. В общем круговороте веществ выделяют круговорот воды, газов, химических элементов и т. д. Например, углерод поступает в биосферу из атмосферы благодаря процессам фотосинтеза. Ежегодно зелёные растения извлекают из атмосферы более 45 млрд. тонн углерода. Часть его возвращается в атмосферу в ходе процессов дыхания. Другая часть переходит в организмы животных, грибов и других гетеротрофных организмов и позднее - тоже возвращается в атмосферу. Наконец, некоторая часть углерода миллионы лет сохранялась в составе залежей полезных ископаемых - каменного угля, нефти, торфа. Техническая цивилизация человека требует сжигания огромного количества нефти и угля. Углерод из них переходит в атмосферу. Повышение содержания углерода в атмосфере может вызвать резкое потепление климата на Земле, таяние полярных льдов, катастрофическое затопление морских побережий и т. д. Некоторые учёные предположили, что подобный процесс уже начался (гипотеза парникового эффекта).
Влияние человека на биосферу (антропогенное влияние) зачастую оказывается неблагоприятным для самого человека. Так, атмосфера загрязняется радиоактивными веществами в результате испытаний ядерного оружия и аварий на атомных объектах (крупнейшая авария произошла в 1986 г. на Чернобыльской атомной электростанции). Несвойственные биосфере химические вещества - в том числе ртуть, свинец и др. - также поступают в окружающую среду в результате деятельности человека. Передаваясь по цепям питания, эти ядовитые вещества оказываются в пище самих людей.
Занимаясь сельским хозяйством, человек создаёт искусственные экосистемы - агроэкосистемы. В таких экосистемах, как правило, преобладает одно полезное для человека культурное растение. Посев одних и тех же культур в течение ряда лет нередко приводит к истощению почв, их разрушению ветром и водой (эрозии). Неправильное орошение вызывает засоление или заболачивание почв.
Смена экосистем. Экосистемы могут сменять друг друга в определённой последовательности. Например, скалы, потоки вулканической лавы в первую очередь заселяются наиболее неприхотливыми растениями- лишайниками и мхами. Вслед за ними на смену приходят различные травянистые растения и по мере накопления почвы - кустарники и деревья. Соответственно изменению растительности изменяется и видовой состав обитающих в экосистеме животных. Рано или поздно экосистема достигает определённого равновесия, и без вмешательства извне резких изменений в ней происходить не будет.
Элементы и вещества живых организмов. По своему составу живые клетки всех организмов резко отличаются от неживого вещества Земли. Кроме кислорода (около 30%), неживые объекты нашей планеты составляют в основном железо (34%), кремний (15%), магний (около 13%). В составе живых клеток четыре главных элемента (более 98% массы) - кислород, водород, углерод и азот. Особую роль в существовании жизни играет углерод, атомы которого могут образовывать длинные разветвлённые цепи. Эти цепи, разнообразие которых бесконечно, являются «скелетами» для всех сложных органических веществ. Восемь следующих по важности элементов (менее 2% массы организмов) - натрий, калий, сера, хлор, фосфор, кальций, железо, магний. На остальные элементы (микроэлементы) приходится до 0,02% массы живых организмов. Всего в составе живых организмов встречается свыше 70 химических элементов. Особенно характерно, что по химическому составу живые клетки разнообразных организмов весьма сходны между собой. В них встречаются одни и те же основные элементы, близкие по строению или одинаковые химические вещества. Это служит доказательством родства всех живых существ, населяющих Землю.
Неорганические вещества организмов. Самое распространённое вещество в составе живых организмов - вода. В среднем в клетках её около 80%, в некоторых организмах - до 98%. Вода, как растворитель, обеспечивает протекание большинства химических реакций в организме. Для жизни необходимы и минеральные соли. Нерастворимые соли часто составляют твёрдый скелет организмов.
Органические вещества. Органические вещества в среднем составляют от 20 до 30% массы живого. Это в основном белки, жиры (липиды), углеводы и нуклеиновые кислоты.
Белки. Все молекулы белков - очень сложные органические цепочки, состоящие из сотен и тысяч отдельных звеньев - аминокислот. В белках всех живых организмов встречается только 20 аминокислот. Высокая сложность строения позволяет белкам исполнять в организме самые разнообразные функции.
Основные функции белков: 1. Строительная - белки являются важнейшей составной частью всех частей организма. 2. Ферментативная - белки участвуют в регулировании биохимических реакций, необходимых для жизни организма. 3. Двигательная - белки обеспечивают сокращение мышечных волокон и иные формы движения организма. 4. Транспортная - белки переносят различные вещества внутри организма. 5. Энергетическая - белки служат источником энергии для организмов. 6. Защитная - белки распознают и уничтожают опасные для организма вещества.
Нуклеиновые кислоты. Основные типы нуклеиновых кислот - ДНК (дезокси-рибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). Молекулы ДНК и РНК - сложные органические цепочки, состоящие из сотен и тысяч звеньев - нуклеотидов. Молекулы ДНК хранят и передают из поколения в поколение наследственную информацию о строении всех белков организма. В цепочке ДНК встречаются звенья - нуклеотиды - только четырёх типов. Они содержат одно из следующих азотистых оснований - аденин, тимин, цитозин или гуанин. Для краткости их обозначают начальными прописными буквами: А, Т, Ц и Г. С помощью этого четырёхбуквенного «алфавита» в ДНК записана вся наследственная информация о строении и функционировании организма. Сохранность и воспроизведение этой информации обеспечивается особым строением молекулы ДНК. Она состоит из двух соединённых между собой цепочек. Их звенья всегда соединены попарно - А с Т, Г с Ц. Эта способность соединяться попарно называется комплементарностью. На каждой из цепочек может быть достроена парная ей цепочка. В РНК также встречается четыре типа нуклеотидов, содержащих аденин, цитозин, гуанин и урацил (вместо тимина). Для краткости их также обозначают А, У, U и Г. В отличие от ДНК, молекула РНК обычно состоит из одной цепочки. РНК переносит информацию о строении белков (информационная РНК), а также участвует в их «сборке» из аминокислот (транспортные РНК).
Углеводы - органические вещества, имеющие общую формулу С/7(Н2О)m. Среди углеводов - глюкоза, сахароза, целлюлоза, крахмал, гликоген, хитин. Они выполняют следующие функции: строительную - углеводы образуют жёсткие клеточные стенки растений (целлюлоза) и грибов (хитин), а также твёрдый скелет некоторых организмов (хитин у членистоногих); энергетическую - расщепляясь, углеводы служат источником энергии для организмов.
Липиды. Одно из важных свойств жиров - нерастворимость в воде. При разложении жиров выделяется вдвое больше энергии, чем при разложении белков. Эти качества обусловили основные функции липидов в организме: строительную - липиды служат основой клеточных мембран; энергетическую - расщепление жиров служит источником энергии для организмов.
АТФ. В каждой клетке в среднем имеется до миллиарда молекул АТФ - аде-нозинтрифосфорной кислоты. Отщепляя молекулу фосфорной кислоты и распадаясь до АДФ (аденозиндифосфорной кислоты), АТФ обеспечивает клетку энергией. Из АДФ может с затратой энергии восстановлена АТФ. Энергетическое преимущество АТФ по сравнению с более громоздкими молекулами белков, углеводов и др. заключается в лёгкости извлечения энергии из АТФ, компактности молекул АТФ. АТФ служит энергетическим источником клетки. При разложении белков, углеводов, липидов клетка синтезирует запас АТФ, который постоянно расходуется и пополняется.
Эукариоты (ядерные) - организмы, имеющие в клетках оформленное ядро, отделённое от цитоплазмы ядерной оболочкой. К эукариотам относятся простейшие, животные, растения и грибы.
Основная категория биологической систематики - вид. Каждый вид (например, Человек разумный - Homo sapiens) имеет двойное латинское название, состоящее из родового и видового имён. Родовое имя пишется с заглавной буквы, видовое - со строчной.
Кроме основной категории - вида - существуют более мелкие, внутривидовые категории (подвид, разновидность) и более крупные - род, семейство, класс, тип и др.
Основные таксономические категории следующие: царство (regnum), тип (phylum), подтип (subphylum), класс (classis), подкласс (subclassis), отряд (у растений - порядок) (ordo), подотряд (subordo), семейство (familia), подсемейство (subfamilia), род (genus), подрод (subgenus), вид (species), подвид (subspecies), разновидность (varietas), форма (forma)