- •Экология
- •Часть 1 Элементы общей и социальной экологии
- •Введение
- •Автор лекция 1 возникновение и развитие экологии как науки
- •Источники и слагаемые современной экологии
- •Гигиена Экология человека
- •Сельское хозяйство и окружающей среды
- •Методы экологии
- •Иерархия понятий
- •Лекция 2 биосфера
- •Физиологические свойства живого
- •Механизмы стабилизации живых систем
- •Химические особенности живых организмов
- •Термодинамика биологических систем
- •Строение биосферы
- •Основные функции биосферы
- •Действие принципа Ле Шателье в биосфере
- •Лекция 3 экосистемы
- •Пищевые цепи и сети
- •Развитие экосистем и проблема устойчивости
- •Лекция 4 взаимоотношения организма и среды
- •Общие закономерности действия экологических факторов на живые организмы Действие абиотических факторов
- •Совместное действие абиотических факторов
- •Экологическая ниша
- •Общие закономерности действия биологических факторов
- •Лекция 5 элементы экологии человека и социальной экологии
- •Среда жизни современного человека
- •Адаптации человека
- •Потребности человека
- •Влияние типа экологического сознания человека на природопользование
- •Лекция 6 антропогенное воздействие на биосферу
- •Загрязнение атмосферы
- •Кислотные осадки
- •Изменение концентрации озона в стратосфере и образование озоновых дыр
- •Парниковый эффект
- •Лекция 7 антропогенное воздействие на гидросферу
- •Классификация загрязнений
- •Характеристика основных гидрополлютантов
- •Самоочищение и эвтрофикация водоёмов
- •Лекция 8 антропогенное воздействие на литосферу, педосферу и биологические ресурсы
- •Ресурсный аспект взаимодействия человека и природы
- •Минеральные ресурсы
- •Воздействие человека на биологические ресурсы
- •Лекция 9 особенности современной экологической ситуации. Причины и перспективы возникновения глобального экологического кризиса
- •Известны три места, славящиеся своими долгожителями: Кавказ, Вилькабамба (Южный Эквадор), Хунза (северо-восточный Пакистан). Некоторые долгожители умирают в возрасте 160–168 лет.
- •Особенности роста народонаселения
- •Особенности современной экологической ситуации. Причины и перспективы возникновения глобального экологического кризиса
- •Особенности современной экологической ситуации
- •Библиографический список
- •Экология
Строение биосферы
Границы биосферы определяются условиями, при которых возможно существование живых организмов. Она включает в себя нижнюю часть атмосферы (тропосферу), всю гидросферу, верхние слои литосферы.
Верхняя граница биосферы – защитный озоновый слой, выше которого ультрафиолетовое излучение исключает существование жизни. Расположен он на высоте около 20 000 м. Организмов, существующих всю свою жизнь только в воздухе, нет, но все виды тесно связаны с ним. Процесс фотосинтеза зависит от парциального давления углекислого газа СО2.
Фотосинтез – синтез органических соединений в листьях зелёных растений из углекислого газа и воды с использованием солнечной энергии. Обратная реакция, когда потребляется кислород, происходит окисление и распад органических веществ до углекислого газа и воды, называется дыханием. Дыхание – это источник энергии, расходуемой клеткой на все её нужды. Процесс дыхания растений протекает круглые сутки, а фотосинтез только на свету; интенсивность дыхания значительно ниже фотосинтеза.
Типичная растительная клетка содержит 50-200 хлоропластов длиной около 1 мкм. Хлоропласты состоят из бесцветной цитоплазматической основы и зелёного пигмента хлорофилла. Вода поднимается из корней по капиллярам ствола, ветвей к листьям и попадает в клетки к хлоропластам. Лист хорошо приспособлен для поглощения углекислого газа. В верхнем защитном слое листа имеются устьица, состоящие из двух клеток, способных отходить друг от друга, открывая щель для поступления СО2. Днём устьица под влиянием света открыты, ночью закрыты. Устьица регулируют поступление углекислого газа в растение и сопутствуют испарению воды. Фотосинтез начинается с улавливания и поглощения фотона солнечного света молекулой хлорофилла. Представим процесс фотосинтеза в самом общем виде:
G
n СО2 + n Н2О (CH2О)n + n O2 ,
H
где G – энергия солнечного света, потреблённая в процессе фотосинтеза.
H – энергия окисления органических веществ (дыхания).
G = H ≈ 478 кДж/моль.
Синтезируемое и распадающееся (окисляемое) органическое вещество представлено в реакции углеводом (CH2О)n. Это может быть глюкоза (n = 6, С6Н12О6), которая полимеризуясь образует крахмал или целлюлозу (n > 1800). В реальном процессе участвует множество различных органических веществ, включающих и другие химические элементы. Фотосинтез имеет большую древность. Предполагают, что он существовал 3,5∙109 лет назад.
На высоте 6200 м по сравнению с уровнем Мирового океана давление воздуха уменьшается в два раза, поэтому на этих высотах располагается граница распространения зелёных растений.
Для распространения животных важным фактором является концентрация в атмосферном воздухе и парциальное давление кислорода. Для большинства животных организмов верхним пределом следует считать высоты ≈ 8–10 км, хотя временное пребывание некоторых животных регистрируется на высотах 10–15 км. Концентрация кислорода в атмосферном воздухе постоянна – 20,95 % (объёмных). Изменение ее на 2–3 % не оказывает заметного физического действия, но больше этого приводит к физическим нарушениям и включает механизм акклиматизации. Неадаптированный человек на высоте 3000 м над уровнем моря испытывает ухудшение состояния и снижение работоспособности, на высоте 6000 м теряет сознание. Генетически адаптированные жители встречаются на высоте до 5000 м в Гималаях и Андах, у них повышен объём крови, увеличено количество эритроцитов и гемоглобина. У обитающих в Андах лам найдено повышенное сродство гемоглобина к кислороду, большая кислородная емкость крови. Благодаря этому, несмотря на внешний дефицит кислорода, содержание его в клетках этих животных даже выше, чем у равнинных.
Нижняя граница биосферы опускается на 2–3 км от поверхности на суше и на 1–2 км ниже дна океана. Нижний предел связан с повышением температуры в земных недрах. Активность большинство многоклеточных организмов сохраняют в интервале температур от 0–30° С, предельная температура существования живых организмов 80–100° С. Микроорганизмы эбулиофилы, обитающие в горячих поверхностных и глубинных источниках, могут сохранять способность к размножению при t ≈ 75° С, а некоторые бактерии 85–105° С. Диапазон температуры, при котором клетки и многие организмы способны длительное время находиться в неактивном состоянии, существенно больше от 0 до 400 К. Хорошо известен криобиоз – переживание при температуре намного ниже точки замерзания жидкостей тела для семян, низших беспозвоночных, рыб. Такие температуры скорее являются температурами выживания, а не нормальной жизненной активности. Жизнь в литосфере концентрируется в основном в поверхностном слое земной коры – почве.
Воды гидросферы делятся на две зоны. Верхняя зона определяется глубиной проникновения солнечного света (в среднем до 200 м). В этой зоне протекает деятельность фотосинтезирующих организмов (растений, некоторых бактерий). В нижних слоях, куда не проникает солнечный свет, обитают организмы, потребляющие готовые органические вещества, синтезированные организмами верхней зоны. В глубоких впадинах, заполненных сероводородом, обитают особые хемосинтезирующие бактерии, утилизирующие Н2S.
Хемосинтез – синтез органических веществ с помощью энергии, генерируемой окислением неорганических соединений: аммиака, сероводорода, оксида железа. Хемосинтез был открыт в 1889-1990 гг. С. Н. Виноградским. Нитрифицирующие бактерии получают энергию за счёт окисления аммиака без участия энергии Солнца:
2NH3 +3O2 → 2HNO2 + 662 кДж;
2HNO2 + O2 → 2HNO3 + 101 кДж.
Серобактерии получают энергию, окисляя сероводород:
2Н2S + O2 → 2Н2O + 2S + Q.
Свободная сера накапливается в цитоплазме серобактерий. Если недостаёт сероводорода, то происходит окисление свободной серы в бактериальной цитоплазме с дальнейшим высвобождением энергии:
2S + 3O2 + 2Н2O → 2 Н2SO4+Q.
Эта энергия используется для синтеза органических веществ из углекислого газа. Ферробактерии окисляют соединения железа и используют выделяющуюся энергию на получение глюкозы. В.И. Вернадский считал, что образование залежей железных и марганцевых руд является результатом деятельности микроорганизмов в прошлые геологические эпохи.
Протяжённость биосферы по вертикали составляет ≈ 33–35 км. В пределах биосферы можно выделить “плёнку жизни” (выражение В. И. Вернадского) – своеобразную оболочку жизни, где сконцентрировано практически всё живое вещество. Она располагается на границе поверхностного слоя земной коры с атмосферой и верхней части водной оболочки Земли. Толщина “плёнки жизни” колеблется от нескольких метров в степях и пустынях до сотен метров в горах и морях.
Биосфера составляет менее 10-6 массы других оболочек Земли и обладает несравненно большим разнообразием, обновляет свой состав в миллионы раз быстрее. Биомасса живого вещества Земли оценивается в 2,4∙1012 т сухого вещества. Если её распределить по всей поверхности Земли, то получился бы биологический покров всего в 1,3 см. Несмотря на малые размеры биоты, именно она определяет условия на поверхности земной коры. Её существование ответственно за появление в земной атмосфере свободного кислорода, формирование почв и круговорот элементов в природе.