Экология Границы биосферы, ее структура и функции. Доцент кафедры общей психологии и психологии личности Мальцев Алексей Владимирович

Основоположники учения о биосфере Эдуард Зюсс ( ) Биосфера – совокупность всех живых организмов, находящихся на Земле Вернадский Иван Владимирович ( ) Биосфера – область распространения жизни

Место биосферы в структуре Земли Литосфера (вехрняя часть) Гидросфера (полностью) Атмосфера (нижняя часть)

Границы биосферы Верхняя граница биосферы – в атмосфере - озоновый слой ( км) Нижняя граница биосферы – в гидросфере максимальная глубина Мирового океана (12 км) в литосфере (3-5 км) определяется температурой

Основные концепции биосферы Географическая (Александр Гумбольд и Василий Васильевич Докучаев) Биогеохимическая (Иван Владимирович Вернадский) Социальные (Д. Медоуз «Пределы роста» 1991 г.) «Чем дольше будут сдерживаться фундаментальные изменения в стратегиях развития, тем менее привлекательным будет конечный результат»

ex3220

Географическая концепция биосферы Основана на периодической зональности процессов и явлений на Земле как следствие космического положения планеты (расстояния до Солнца, скорости вращения, угла наклона земной оси)

Физико-географические пояса Полярный (арктический и антарктический) Субполярный (субарктический и субантарктический) Умеренный (северный и южный) Субтропический (северный и южный) Тропический (северный и южный) Субэкваториальный (северный и южный) Экваториальный

Стуктура биосферы в рамках биогеохимической концепции Живое вещество Биокосное вещество Косное вещество

Живое вещество Совокупность химических элементов, сосредоточенных во всех живых организмах вместе взятых В состав живого вещества входят как органические, так и неорганические вещества Может быть однородным и неоднородным

Косное вещество В образовании которого живые организмы не участвуют: твердое, жидкое и газообразное Например магматическая порода

Биокосное вещество Создается одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя динамически равновесные системы тех и других. Таковы почва, ил, кора выветривания и некоторые минералы.

Биогенное вещество вещество, создаваемое в процессе деятельности живых организмов и накапливающееся в результате их отмирания. К биогенным веществам относятся остатки отмерших организмов, продукты линьки живых организмов и опада, напр.: хитиновые покровы членистоногих, выпавшие волосы и зубы млекопитающих, сброшенные рога оленей, теряемые перья птиц, опадающие листья К биогенным веществам относятся : месторождения угля, нефти, карбонатных пород и т. д.

Биогенное вещество Необиогенное вещество – образовано живыми организмами современной геологической эпохи Палеобиогенное вещество образовано живыми организмами прошлых геологических эпох (осадочные породы, минералы, янтарь)

Живое вещество характеризуется Массой – биомассой Химическим составом Запасом свободной энергии

Биомасса Масса живого вещества оценивается величиной 2,4 - 3,6*10 12 т (в сухом весе) и составляет менее массы других оболочек Земли. Есть величина постоянная ? Постоянно увеличивается ?

Формы структурной симметрии реализуемые в Космосе и живом веществе ОбъектШароваяЭлипсои дная Радиаль ная Спираль ная Билатера льная Неправи льная Галактики Вирусы Бактерии Простейш ие Растения Беспозв Позвон. ++ Колонии организм. +

Химический состав основных сфер Земли (в весовых %) ЭлементЗемля в целом Земная кора АтмосфераГидро- сфера Живое вещество H ---10,88,0 Fe 39,86,4--- Si 14,526,5--0,2 O 27,746,023,385,370,0 C 0,040,10,040,0118,0 Ca 2,324,8--0,48 K 0,141,2--0,2 N -0,0175,3-0,5

Запас свободной энергии Это солнечная энергия, превращающаяся в энергию химических связей в процессе фотосинтеза зеленых растений и растекающаяся по поверхности Земли благодаря способности живого регулировать проявления собственных процессов

Расчет свободной энергии 46383,935 - отношение длины экватора к числу секунд в сутках 18, логарифм поверхности Земли К - коэффициент плотности жизни lg2 ~ - показатель геометрической прогрессии размножения вида

Скорость заселения разных видов Бактерии – см/с Слон – 0,1 см/с

Функции живого вещества Энергетическая Концентрационная Деструктивная Средообразующая Транспортная Газовая

Энергетическая Заключается в поглощении солнечной энергии при фотосинтезе и химической энергии – путем разложения энергонасыщенных веществ и передаче энергии по пищевой цепи разнородного живого вещества.

Концентрационная Избирательное накопление в ходе жизнедеятельности определенных видов вещества. Выделяют два типа концентраций химических элементов живым веществом: а) массовое повышение концентраций элементов в среде, насыщенной этим элементов, например, серы и железа много в живом веществе в районах вулканизма; б) специфическую концентрацию того или иного элемента вне зависимости от среды.

Закономерности поглощения химических элементов организмами по А.П. Виноградову Подвижные элементы (йод, литий, фтор) накапливаются лучше В четных группах таблицы Менделеева после кислорода каждый шестой элемент характеризуются накоплением в организмах (железо, стронций, барий) В нечетных группах каждый шестой элемент после водорода характеризуются накоплением в организмах (марганец, рубидий, цезий) С возрастанием порядкового номера в группе увеличивается ядовитость (цинк-кадмий-ртуть) Более всего накапливают элементы простейшие формы

Деструктивная Заключается в минерализации необиогенного органического вещества, разложении неживого неорганического вещества, вовлечении образовавшихся веществ в биологический круговорот

Средообразующая Преобразование физико-химических параметров среды (главным образом за счет необиогенного вещества).

Транспортная. Перенос вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении Глобальное следствие размножения

Размножение Осуществляется в геометрической прогрессии Ограничено только внешними условиями: наличием пищи, света температурой и т.д. и т.п. Биологических ограничений нет. Темп размножения зависит от размеров организмов

Газовая функция Следствие дыхания и фотосинтеза Кислородный состав современной атмосферы – результат процесса фотосинтеза, протекающего в клетках зеленых растений и дегазации глубинных океанических вод.

Кислород Кислородный состав современной атмосферы – результат процесса фотосинтеза, протекающего в клетках зеленых растений и дегазации глубинных океанических вод

Азот Азотофиксаторы: клубеньковые бактерии, свободно-живущие

Эволюция биосферы По В.И. Вернадскому имеет три основных принципа: Первый - связан с устойчивостью геологических процессов в ходе исторического времени Второй – связывает эволюцию биосферы в целом и отдельных видов Третий основан на геометрической прогрессии размножения организмов

Первый принцип Биогенная миграция химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему выражению Правило постоянства химического базиса эволюции живого вещества

Второй принцип Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию форм жизни, устойчивых в биосфере, идет в направлении, увеличивающем биогенную миграцию атомов биосферы. Три группы видов: базовые, новые, «стареющие» Правило направленности эволюционных изменений

Третий принцип В течение всего геологического времени заселение планеты должно быть максимально возможным для всего живого вещества, которое тогда существовало Правило полной заселенности Земли во все геологические времена

Устойчивость биосферы Количественная поддерживается увеличением числа видов и их жизнедеятельностью Качественная связанная с дифференциацией живого вещества: статическая проявляется в строении; динамическая в процессах

Источники электромагнитной энергии на Земле Солнце (главный энергетический поток) Нагрев Земли (второй поток) Человек (третий поток-субсидия)

Солнечная постоянная Приходится на верхнюю границу атмосферы 800 км над 8,29 Дж/см 2 Х мин

Факторы, влияющие на баланс солнечной энергии в атмосфере Земли (Парниковый эффект) Вода Углекислый газ Озон Аэрозоли

Вода атмосферы 12,4 трлн.т. Среднегодовое количество осадков 780 мм Водяной пар обновляется 30 раз в год т.е. каждые 11 дней.

Озон Содержится в переменных количествах около одной миллионной доли на высоте от 10 до 30 км. Регулирует поток падающий на поверхность Земли биологически активного ультрафиолетового излучения

Озоновая дыра в районе Антарктиды

Факторы влияющие на озоновый слой Содержание кислорода в атмосфере Выделение газов разрушающих озон - фреонов

Аэрозоли Рассеивают солнечную радиацию Способствуют конденсации воды Усиливают нагрев атмосферы

Углекислый газ Поглощает инфракрасные лучи, внося вклад в парниковый эффект

Виды солнечного света Прямой Рассеянный (отличается от прямого: интенсивностью, поляризованностью, спектральным составом)

Отношение отраженного света к падающему в % называется альбедо Чистый сухой песок90-95 Песок желтый35 Глина влажная16 Заросли кустарников10 Паровое влажное поле5 Влажный талый снег40-50

Баланс Солнечной энергии, % Отражается30 Превращается в тепло46 Затрачивается на испарение и осадки 23 Расходуется на образование ветра, волн, течений 0,2 Фотосинтез0,8

Продуктивность живых организмов Скорость образования органического вещества в единицу времени на единицу площади или объема. Может быть валовая и чистая

Валовая продуктивность Скорость образования органического вещества в единицу времени на единицу площади или объема с учетом всех расходов на собственные нужды

Чистая продуктивность Скорость образования органического вещества в единицу времени на единицу площади или объема за вычетом всех расходов на собственные нужды.

Виды продуктивности Первичная продуктивность – скорость образования органического вещества автотрофами Вторичная продуктивность – скорость образования органического вещества гетеротрофами

Чистая продук. г/м 2 год Вторичная продук т/год Влажные тропические леса Листопадные леса Тайга80038 Пустыни907 Болота Рифы Океан

Чистая продуктивность Земли 333 г/м 2 год По мере увеличения размеров и сложности экологический системы растет та доля валовой продукции, которую нужно расходовать на процессы самоподдержания и падает та доля, которая может идти на дальнейшее увеличение размеров

Поток энергии, идущий от Земли Нагрев поверхности Земли от Солнца Выделение тепла при гравитационном сжатии За счет радиоактивного распада элементов За счет сухого трения слоев Земли

Энергетические субсидии Естественные (приливы и отливы, ветер, дождь, землетресения Связанные с человеком промышленность, строительство, сельское хозяйство

Экологические пирамиды Трофическую структуру биоценоза и экосистмы обычно отображают графическими моделями в виде экологических пирамид. Такие модели разработал в 1927 г. английский зоолог Ч. Элтон. число особей (пирамида чисел) количество их биомассы (пирамида биомасс) заключенной в них энергии (пирамида энергии)

Пирамида чисел (Элтона) отражает численность отдельных организмов на каждом уровне Пример. составляют сотни миллионов отдельных травинок 27 млн. кузнечиков 90 тыс. лягушек. 300 форелей это количество рыбы может съесть за год один человек

Пирамида биомасс соотношение между продуцентами и консументами, выраженное в их массе (общем сухом весе). Например Растения (продуценты) Растительноядные (консументы 1- порядка) Хищники (консументы 20го порядка) Редуценты

Экологическая пирамида

Пирамида энергии отражает величину потока энергии, скорость прохождения массы пищи через пищевую цепь. В 1942 г. американский эколог Р. Линдеман сформулировал закон пирамиды энергии С одного трофического уровня на другой через пищевые цени переходит в среднем около 10 % энергии, поступившей на предыдущий уровень экологической пирамиды

Пирамида энергии

Например 1 кг окуней 10 кг рыбьей молоди 100 кг зоопланктона 1000 кг фитопланктона

Круговороты вещества на Земле Замкнутые пути, по которым циркулируют химические элементы, называются биогеохимическими круговоротами, или циклами

Круговорот каждого элемента состоит Резервного фонда – большой медленно движущейся массы, заключенной в какой-либо геологической оболочке Обменный фонд небольшой, быстро движущейся массе, заключенной в живых организмах

Круговорот воды

Скорость обмена воды Мировой океан 2700 лет Подземные воды 5000 лет Атмосфера 11 дней

Круговорот углерода геологический, временной цикл которого исчисляется миллионами лет, биологический с временным циклом от нескольких дней до нескольких тысячелетий.

Биологический круговорот углерода

Геологический круговорот углерода

Круговорот азота