Раздел 43. Демэкология.

В задачи популяционной экологии или демэкологии входит исследование общих закономерностей динамики численности и структуры популяции, а также взаимодействий популяций различных видов.

Популяция это минимальная самовоспроизводящаяся группа особей одного вида, на протяжении эволюционно длительного времени населяющая определенное пространство, образующая генетическую систему и формирующая собственную экологическую нишу или популяция - это группа особей одного вида, занимающая определённое пространство.

Популяция характеризуется следующими показателями: численность, плотность, рождаемость, смертность, жизненный цикл, способность к росту, приспособляемость, дифференцировка, самоподдержание.

Любой популяции присуща определённая организация или структура популяции:

1. Возрастная структура популяции.

2. Половая структура популяции.

3. Пространственная структура.

4. Этологическая структура. Раздел 44. Синэкология.

Синэкология рассматривает группы организмов, составляющих определённые единства.

1. Биоценоз.

Биоценоз или биотическое сообщество - это любая совокупность популяций, населяющих определенную территорию или биотоп.

2. Экосистема.

Любое единство, включающее все организмы (т.е. «сообщество») на данном участке и взаимодействующее с физической средой таким образом, что поток энергии создает четко определенную трофическую структуру, видовое разнообразие и круговорот веществ (т. е. обмен веществами между биотической и абиотической частями) внутри системы, представляет собой экологическую систему, или экосистему.

Продуктивность экологической системы - это скорость, с которой продуценты усваивают лучистую энергию в процессе фотосинтеза и хемосинтеза, образуя органическое вещество, которое может быть использовано в качестве пищи.

Продуктивность подразделяется на: первичную (валовая и чистая) и вторичную.

Раздел 45. Биосферология. (Тема для самостоятельного изучения).

1. Геосферы Земли.

Атмосфера (от греч. atmos - пар) - газовая оболочка земли, которая удерживается планетой посредством силы тяжести и принимает участие в её суточном и годовом вращении. Она состоит из смеси различных газов (78 % азота, 21 % кислорода, 0,9 % аргона, 0,03 % углекислого газа), до 3% водяного пара и пыли.

Общая масса атмосферы — 5,154 х10¹⁵ т. На высоте от 10 до 50 км, с максимумом концентрации на высоте 20 - 25 км, расположен слой озона, защищающий Землю от чрезмерного ультрафиолетового облучения, гибельного для организмов. Атмосфера делится на слои: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу, которые отличаются температурой, ионизацией молекул и другими параметрами. Между атмосферой и земной поверхностью происходит постоянный обмен теплом и влагой, что вместе с циркуляцией атмосферы влияет на основные климатообразующие процессы. В формировании природной среды Земли велика роль тропосферы - нижнего слоя атмосферы до высоты 8-10 км в полярных, 10-12 - в умеренных и 16-18 км в тропических широтах. В тропосфере происходят глобальные вертикальные и горизонтальные перемещения воздушных масс, во многом определяющие круговорот воды, теплообмен, трансграничный перенос пылевых частиц и загрязнений. С увеличением высоты плотность воздуха убывает, и атмосфера плавно переходит в космическое пространство.

Гидросфера (от греч. gidra - вода) - водная оболочка Земли. Она включает в себя совокупность всех вод планеты: материковых (глубинных, почвенных, поверхностных), океанических и атмосферных. Гидросфера является колыбелью жизни на нашей планете.

Объем гидросферы не превышает 0,13 % объема земного шара. Мировой океан составляет 96,53 % от общего объема гидросферы, подземные воды — 1,69 % (23,4 млн. км3), остальное — воды рек, озер и ледников. От всех водных ресурсов Земли соленые воды составляют 98 %, пресные — около 2 % (28,25 млн. км3). Основная часть пресных вод сосредоточена в ледниках, воды которых пока используются очень мало. На долю пресных вод, пригодных для водоснабжения, приходится всего 0,3 % (4,2 млн. км3). Весьма активно она влияет и на атмосферные процессы (нагревание и охлаждение воздушных масс, насыщение их влагой и т. д.).

Литосфера (от греч. lithos - камень) - верхняя твёрдая оболочка Земли, ограниченная сверху атмосферой и гидросферой, а снизу - астеносферой - слоем пониженной твёрдости, прочности и вязкости, расположенным в верхней мантии Земли. Мощность литосферы колеблется в пределах 50 - 200 км. Процесс преобразования литосферы живыми организмами, начавшимися около 450 млн. лет назад, привел к образованию почвы, ее мощность достигает 2 - 3 м.

Литосфера включает: земную кору мощностью (толщиной) от 6 (под океанами) до 80 км (горные системы). Земная кора сложена горными породами, среди которых более 70 % магматических пород, 17 % метаморфических (преобразованных давлением и температурой) и чуть больше 13 % приходится на осадочные породы. Верхняя её часть - осадочный слой, он состоит из осадочных пород, средняя - «гранитный» слой (выражен только на материках), нижняя - «базальтовый» слой. Она является важнейшим ресурсом для человечества: содержит топливно-энергетическое сырье, рудные и нерудные полезные ископаемые, естественные строительные материалы.

Под земной корой располагается мантия (толщиной около 2900 км). Занимает 83 % Земли по объёму и 67% по массе. Мантия Земли состоит, видимо, преимущественно из тяжёлых металлов, богатых магнием и железом. С процессами, происходящими в верхней, граничащей с земной корой, мантии Земли, тесно связаны тектонические движения, действия вулканов, горообразование и др.

Ядро Земли - наиболее плотная центральная часть (геосфера) Земли. Его плотность составляет от 9400 кг/м3 в периферической области до 17200 кг/м3 (в два с лишним раза выше, чем у железа) в более глубоких слоях; давление достигает 140 - 350 ГПа (1,4 - 3,5 млн. атм.), температура 2000 - 5000 0С. Предполагают, что по химическому составу вещество ядра сходно с веществом мантии Земли, но находится в металлическом состоянии. 2. Строение и функции биосферы.

Совокупность всех биогеоценозов (экосистем) Земли представляет собой большую экологическую систему — биосферу или сферу жизни. Атмосфера, гидросфера и литосфера тесно взаимодействуют между собой. Практически все поверхностные экзогенные геологические процессы обусловлены этим взаимодействием и проходят, как правило, в биосфере.

Границы биосферы, определяются факторами земной среды, которые делают невозможным существование живых организмов.

Вглубь Земли живые организмы проникают на небольшое расстояние. В литосфере жизнь ограничивает, прежде всего, температура горных пород и подземных вод, которая постепенно возрастает с глубиной и на уровне 1,5 - 15 км превышает 100 оС. Наибольшая глубина, на которой в породах земной коры были обнаружены живые бактерии, составляет 4 км. В нефтяных месторождениях на глубине 2 - 2,5 км бактерии регистрируются в большом количестве.

В океане жизнь распределена до более значительных глубин и встречается даже на дне океанических впадин в 10 - 11 км от поверхности.

Верхняя граница жизни в атмосфере определяется высотой озонового слоя. Если живые организмы поднимаются выше защитного слоя озона, они погибают. Атмосфера над поверхностью Земли насыщена многообразными живыми организмами, которые передвигаются в воздухе активным или пассивным способом. Споры бактерий и грибов обнаруживают до высоты 20 - 22 км, но основная часть аэропланктона сосредоточена в слое 1 -1,5 км. В горах граница распределения наземной жизни - около 6 км над уровнем моря.

Таким образом, в биосферу входят часть атмосферы до высоты 23 — 25 км (до озонового слоя), практически вся гидросфера и верхняя часть литосферы примерно до глубины три километра. Взаимодействие абиотической части биосферы — воздуха, воды и горных пород и органического вещества — биоты, обусловило формирование почв и осадочных пород. Последние, по В.И. Вернадскому, несут на себе следы деятельности древних биосфер, существовавших в прошлые геологические эпохи.

Концентрация и активность жизни особенно велики у поверхности Земли. Водоёмы заселены по всей толще, со сгущениями у поверхности и у дна. Выделяются своим богатством прибрежные и мелководные участки. На суше более 99 % живого вещества или биомассы, сосредоточено в слое на несколько метров в глубь и на несколько десятков метров (высокие деревья) вверх от поверхности.

Крайние пределы температур, которые выносят некоторые формы жизни (в латентном состоянии) - от практически абсолютного нуля до 180 ^оС. Давление, при котором существует жизнь, - от малых долей атмосферы на большой высоте до тысячи и более атмосфер на больших глубинах. Для ряда бактерий верхние критические точки давления лежат в области 12 тыс. атм. Споры бактерий, конидий и мицелий некоторых грибов не теряют, жизнеспособность в условиях высокого вакуума (достигающего 10-13 - 10-11 мм рт. ст., вакуум космического пространства составляет 10-16мм рт. ст.). Бактерии обнаружены в водах атомных реакторов, некоторые из них выдерживают облучение порядка 2 - 3 млн. рад. При температурах жидкого воздуха -192 °С, гелия -268,9 °С, водорода -259,1 °С ряд бактерий остаются живыми.

Возникла современная биосфера 3,5 - 4 млрд. лет назад. Она включает живые организмы (около 4 млн. видов), их остатки, зоны атмосферы, гидросферы и литосферы, населённые и видоизменённые этими организмами.

Всю совокупность организмов на планете В. И. Вернадский назвал живым веществом, рассматривая в качестве его основных характеристик суммарную массу, химический состав и энергию.

Следовательно, биосфера - это та область Земли, которая охвачена влиянием живого вещества. С современных позиций биосферу рассматривают как наиболее крупную, глобальную экосистему, поддерживающую планетарный круговорот веществ.

Главной отличительной особенностью живого вещества в целом является способ использования энергии. Живые существа уникальные природные объекты, способные улавливать энергию, которая приходит из Космоса, преимущественно в виде солнечного света, удерживать её в виде сложных органических соединений (биомассы), передавать друг другу, трансформировать в механическую, электрическую, тепловую и другие виды энергии. Косные, неживые тела не способны к столь сложным преобразованиям энергии. Они преимущественно рассеивают её: камень нагревается под действием солнечной энергии, но не может ни сойти с места, ни увеличить свою массу.

Другая особенность живых организмов состоит в их уникальной способности к самовоспроизведению, т. е. к производству на протяжении многих поколений форм, практически идентичных по структуре и функционированию.

Функции живого вещества:

Энергетическая, состоит в осуществлении связи биосферно-планетарных явлений с излучением космоса, и, прежде всего с солнечной радиацией. Основой указанной функции является фотосинтез, в процессе которого происходит аккумуляция энергии Солнца и её последующее перераспределение между компонентами биосферы. Накопленная солнечная энергия обеспечивает протекание всех жизненных процессов. За время существования жизни на Земле живое вещество превратило в химическую энергию огромное количество солнечной энергии. При этом существенная часть её в ходе геологической истории накопилась в связанном виде - залежи угля, нефти и т. д.

Благодаря Газовой функции происходит миграция газов и их превращение, формируется газовый состав биосферы. Отметим, что преобладающая масса газов на планете имеет биогенное происхождение. Так, кислород атмосферы накоплен за счёт фотосинтеза. При этом количество молекул кислорода, выделяемых земными растениями, пропорционально количеству связываемых водой молекул диоксида углерода. Последний поступает в атмосферу за счёт дыхания всех организмов. Другой не менее мощный его источник - выделение по трещинам земной коры из осадочных пород за счёт химических процессов под действием высоких температур.

Концентрационная функция проявляется в извлечении живыми организмами биогенных элементов из окружающей среды, которые используют для построения тела. Концентрация этих элементов в теле живых организмов в сотни и тысячи раз выше, чем во внешней среде.

Окислительно-восстановительная функция заключается в химическом превращении веществ, которые содержат атомы с переменной степенью окисления (это в основном атомы железа и марганца, но и других). В результате происходят превращения большинства химических соединений, при этом преобладают процессы окисления и восстановления.

Благодаря деструкционной функции протекают процессы, связанные с разложением остатков мёртвых организмов. При этом происходит минерализация органического вещества, т. е. превращение живого вещества в неживое.

Таким образом, живое вещество трансформирует солнечную энергию и вовлекает неорганическую материю в непрерывный круговорот. Оно определило современный состав атмосферы, гидросферы, почв и осадочных пород Земли. 3. Круговороты веществ.

Биосфера Земли характеризуется определенным образом сложившимся круговоротом веществ и потоком энергии. Круговорот веществ — многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере и литосфере, в том числе в тех слоях, которые входят в состав биосферы Земли.

В зависимости от движущей силы, с определенной долей условности, внутри круговорота веществ можно выделить геологический (большой), биогеохимический (биологический или малый) и антропогенный круговороты. До недавнего времени в науке говорилось только о первых двух.

Геологический — это круговорот веществ, движущей силой которого являются экзогенные и эндогенные геологические процессы, осуществляется без участия живых организмов. Большой круговорот веществ в природе обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и перераспределяет вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли. Этот круговорот в системе «магматические породы — осадочные породы — метаморфические породы — магматические породы» происходит за счет глубинных (эндогенных) и внешних (экзогенных) процессов, происходящих, соответственно в глубинах Земли и на ее поверхности, большой круговорот — это и круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу. Влага, испарившаяся с поверхности океана (на это тратится 50 % солнечной энергии), частью переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подъемного стока, а часть осадков выпадает на эту же водную поверхность океана. В круговороте на Земле ежегодно участву­ет более 500 тыс. км3 воды. Круговорот воды в целом играет основную роль в формировании природных условий на нашей планете. С учетом транспирации воды растениями и поглощения ее в биогеохимическом цикле весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается за два миллиона лет.

Биогеохимический круговорот — круговорот веществ, движущей силой которого является деятельность живых организмов. Малый круговорот веществ в биосфере совершается лишь в пределах биосферы. Сущность его — в образовании живого вещества из неорганического в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения. Этот круговорот для жизни биосферы — главный, и он сам является порождением жизни. Изменяясь, рождаясь и умирая, живое вещество поддерживает жизнь на Земле, обеспечивая биогеохимический круговорот веществ.

В биогеохимических круговоротах следует различать две части: 1) резервный фонд — это огромная масса движущихся веществ, не связанных с организмами, 2) обменный фонд

— значительно меньший, но весьма активный, обусловленный прямым обменом биогенным веществом между организмами и их непосредственным окружением. В биосфере в целом можно выделить: 1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере (океан) и 2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре (в геологическом круговороте).

Антропогенный круговорот (обмен) — круговорот (обмен) веществ, движущей силой которого является деятельность человека. В нем можно выделить две составляющие: биологическую, связанную с функционированием человека как живого организма, и тех­ническую, связанную с хозяйственной деятельностью людей (техногенный круговорот (обмен)). В отличие от геологического и биологического круговоротов веществ, антропогенный круговорот веществ в большинстве случаев является незамкнутым. Поэтому часто говорят не об антропогенном круговороте, а об антропогенном обмене веществ. Незамкнутость антропогенного круговорота веществ приводит к истощению природных ресурсов и загрязнению природной среды. Именно они и являются основной причиной всех экологических проблем человечества.

Все эти циклические процессы расходуют солнечную энергию и, лишь единственный на Земле процесс не тратит, а, наоборот, связывает солнечную энергию и даже накапливает ее,

— это создание органического вещества в результате фотосинтеза. В связывании и запасании солнечной энергии заключается основная планетарная функция живого вещества на Земле.

Круговороты наиболее значимых для живых организмов веществ и элементов:

Круговорот углерода. Продуценты улавливают углекислый газ из атмосферы и переводят его в органические вещества, консументы поглощают углерод в виде органических веществ с телами продуцентов и консументов низших порядков, редуценты минерализуют органические вещества и возвращают углерод в атмосферу в виде углекислого газа. В Мировом океане круговорот углерода усложнен тем, что часть углерода, содержащегося в мертвых организмах, опускается на дно и накапливается в осадочных породах. Эта часть углерода выключается из биологического круговорота и поступает в геологический круговорот веществ.

Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса, они содержат до 500 млрд т этого элемента, что составляет 2/3 его запаса в атмосфере. Вме­шательство человека в круговорот углерода (сжигание угля, нефти, газа, дегумификация) приводит к возрастанию содержания С02 в атмосфере. Скорость круговорота СО2, то есть время, за которое весь углекислый газ атмосферы проходит через живое вещество, составляет около 300 лет.

Круговорот кислорода. Главным образом круговорот кислорода происходит между атмосферой и живыми организмами. В основном свободный кислород (02) поступает в атмосферу в результате фотосинтеза зеленых растений, а потребляется в процессе дыхания животными, растениями и микроорганизмами, и при минерализации органических остатков. Незначительное количество кислорода образуется из воды и озона под воздействием ультрафиолетовой радиации. Большое количество кислорода расходуется на окислительные процессы в земной коре, при извержении вулканов и т. д. Основная доля кислорода продуцируется растениями суши — почти 3/4, остальная часть — фотосинтезирующими организмами Мирового океана. Скорость круговорота — около 2 тыс. лет.

Круговорот азота. Запас азота (N2) в атмосфере огромен (78 % от ее объема). Однако растения поглощать свободный азот не могут, а только в связанной форме, в основном в виде NH4+ или N03-. Свободный азот из атмосферы связывают азотфиксирующие бактерии и переводят его в доступные растениям формы. В растениях азот закрепляется в органическом веществе (в белках, нуклеиновых кислотах и пр.) и передается по цепям питания. После отмирания живых организмов, редуценты минерализуют органические вещества и превращают их в аммонийные соединения, нитраты, нитриты, а также в свободный азот, который возвращается в атмосферу. Нитраты и нитриты хорошо растворимы в воде и могут мигрировать в подземные воды и растения и передаваться по пищевым цепям.