Экология и ее виды

 

Важная роль в глобальном круговороте веществ принадлежит циркуляции воды между океаном, атмосферой и верхними слоями литосферы. Вода испаряется и воздушными течениями переносится на многие километры. Выпадая на поверхность суши в виде осадков, она способствует разрушению горных пород, делая их доступными для растений и микроорганизмов, размывает верхний почвенный слой и уходит вместе с растворенными в ней химическими соединениями и взвешенными органическими частицами в океаны и моря. Подсчитано, что с поверхности Земли за 1 мин испаряется около 1 млрд. т воды. Энергия, затрачиваемая на испарение воды, возвращается в атмосферу. Циркуляция воды между Мировым океаном и сушей представляет собой важнейшее звено в поддержании жизни на Земле и основное условие взаимодействия растений и животных с неживой природой.

 

В качестве примеров биотического круговорота рассмотрим круговороты  углерода и азота в биосфере. Круговорот углерода начинается с фиксации атмосферного диоксида углерода в процессе фотосинтеза. Часть образовавшихся при фотосинтезе  углеводов используют сами растения для получения энергии, часть  потребляется животными. Углекислый газ  выделяется в процессе дыхания растений и животных. Мертвые растения и  животные разлагаются, углерод их тканей окисляется и возвращается в атмосферу. Аналогичный процесс происходит и в океане.

 

Круговорот азота  также охватывает все области  биосферы. Хотя его запасы в атмосфере  практически неисчерпаемы, высшие растения могут использовать азот только после  соединения его с водородом или  кислородом. Исключительно важную роль в этом процессе играют азотфиксирующие  бактерии. При распаде белков этих микроорганизмов азот снова возвращается в атмосферу.

 

Показателем масштаба биотического круговорота служат темпы  оборота углекислого газа, кислорода  и воды. Весь кислород атмосферы  проходит через организмы примерно за 2 тыс. лет, углекислый газ - за 300 лет, а вода полностью разлагается  и восстанавливается в биотическом  круговороте за 2 млн. лет.

 

 

Эволюция биосферы

 

 

Эволюцию биосферы изучает раздел экологии, который  называется эволюционной экологией. Следует  отличать эволюционную экологию от эко  динамики (динамической экологии). Последняя  имеет дело с короткими интервалами  развития биосферы и экосистем, в  то время как первая рассматривает  развитие биосферы на более длительном отрезке времени. Так, изучение биогеохимических круговоротов и сукцессии-- задача эко динамики, а принципиальные изменения в механизмах круговорота веществ и в ходе сукцессии--задача эволюционной экологии.

 

Одним из важнейших  направлений в изучении эволюции является изучение форм жизни. Здесь  можно отметить несколько этапов.

 

1. Клетки без ядра, но имеющие нити ДНК, напоминают  нынешние бактерии и сине-зеленые  водоросли. Возраст таких самых  древних организмов около 3 млрд. лет. Их свойства: 1) подвижность; 2) питание и способность запасать  пищу и энергию; 3) защита от  нежелательных воздействий; 4) размножение; 5) раздражимость; 6) приспособление  к изменяющимся внешним условиям; 7) способность к росту.

 

2. На следующем этапе  (приблизительно 2 млрд. лет тому  назад) в клетке появляется  ядро. Одноклеточные организмы с  ядром называются простейшими.  Их 25-30 тыс. видов. Самые простые  их них -- амебы. Инфузории имеют еще и реснички. Ядро простейших окружено двухмембранной оболочкой с порами и содержит хромосомы и нуклеоли. Ископаемые простейшие -- радиолярии и форами-ниферы -- основные части осадочных горных пород. Многие простейшие обладают сложным двигательным аппаратом.

 

3. Примерно 1 млрд, лет тому назад появились многоклеточные организмы. В результате растительной деятельности--фотосинтеза --из углекислоты и воды при использовании солнечной энергии, улавливаемой хлорофиллом, создавалось органическое вещество. Возникновение и распространение растительности привело к коренному изменению состава атмосферы, первоначально имевшей очень мало свободного кислорода. Растения, ассимилирующие углерод из углекислого газа, создали атмосферу, содержащую свободный кислород, который не только активный химический агент, но и источник озона, преградившего путь коротким ультрафиолетовым лучам к поверхности Земли.

 

Л. Пастером выделены следующие две важные точки в  эволюции биосферы: 1) Момент» когда  уровень содержания кислорода в  атмосфере Земли достиг примерно 1% от современного. С этого времени стала возможной аэробная жизнь. Геохронологически это архей. Предполагается, что накопление кислорода шло скачкообразно и заняло не более 20 тыс. лет. 2) Достижение содержания кислорода в атмосфере около 10% от современного. Это привело к возникновению предпосылок формирования озокосферы. В результате жизнь стала возможной на мелководье, а затем и на суше.

 

Палеонтология, которая  занимается изучением ископаемых остатков, подтверждает факт возрастания сложности  организмов. В самых .древних породах встречаются организмы немногих типов, имеющих простое строение. Постепенно разнообразие и сложность растут. Многие виды, появляющиеся на каком-либо стратиграфическом уровне, затем исчезают. Это истолковывают как возникновение и вымирание видов.

 

В соответствии с данными  палеонтологии можно считать, что  в протерозойскую геологическую  эру (700 млн лет назад) появлялись бактерии, водоросли, примитивные беспозвоночные; в палеозойскую (365 млн лет назад) -- наземные растения, амфибии; в мезозойскую (185 млн лет назад)--млекопитающие, птицы, хвойные растения; в кайнозойскую (70 млн лет назад) -- современные группы. Конечно, следует иметь в виду, что палеонтологическая летопись неполна.

 

Эмпирические обобщения  В.И. Вернадского

 

 

1. Первым выводом  из учения о биосфере является  принцип целостности биосферы. «Можно  говорить о всей жизни, о всем живом веществе как о едином целом в механизме биосферы» Строение Земли, по Вернадскому, есть согласованный механизм. «Твари Земли являются созданием сложного космического процесса, необходимой и закономерно стройного космического механизма».

 

Узкие пределы существования  жизни--физические постоянные, уровни радиации и т. п.-- подтверждают это. Как будто кто-то создал такую среду, чтобы жизнь стала возможна. Какие условия и константы имеются в виду? Гравитационная постоянная или константа всемирного тяготения, определяет размеры звёзд, температуру и давление в них, влияющие на ход реакции. Если она будет чуть меньше, звезды станут недостаточно горячими для протекания термоядерного синтеза; если чуть больше, звёзды превзойдут « критическую массу» и обратятся в черные дыры, Константа сильного взаимодействия определяет ядерный заряд в звёздах. Если её изменить, цепочки ядерных реакций не дойдут до азота я электромагнитного взаимодействия определяет конфигурацию электронных оболочек и прочность химических делает Вселенную мертвой. Это находится в соответствии с антропным принципом, по которому при создании следует учитывать реальность существования человека.

 

Экология также  показала, что живой мир -- единая система множеством цепочек питания и взаимозависимостей. Если даже небольшая часть ее погибнет, разрушится и все остальное.

 

2. Принцип гармонии  биосферы и ее организованности. В биосфере «все учитывается  и все приспособляется с той  же точностью, с той же механичностью  и с тем же подчинением мере  и гармонии, какую мы видим  в стройных движениях небесных  светил и начинаем видеть в  системах атомов вещества и  атомов энергии».

 

3. Роль живого в  эволюции Земли. «На земной  поверхности нет химической силы, более постоянно действующей,  а потому и более могущественной  по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые  в целом. Все минералы верхних  частей земной коры--свободные алюмокремневые кислоты (глины), карбонаты (известняки и доломиты), гидраты окиси Ге и А1 (бурые железняки и бокситы) и многие сотни других -- непрерывно создаются в ней только под влиянием жизни»). Лик Земли фактически сформирован жизнью.

 

4. Космическая роль  биосферы в трансформации энергии.  Вернадский подчеркивал важное значение энергии и называл живые организмы механизмами превращения энергии.1. «Можно рассматривать всю эту часть живой природы как дальнейшее развитие одного и того же процесса превращения солнечной световой энергии в действенную энергию Земли».

 

5. Космическая энергия  вызывает давление жизни, которое  достигается размножением. Размножение  организмов уменьшается по мере  увеличения их количества. Размеры  популяции возрастают до тех  пор, пока среда может дальнейшее  увеличение, после чего достигается  равновесие. Численность колеблется  вблизи равновесного уровня.

 

6.Растение жизни  есть проявение ее геохимической энергии. Живое вещество, подобно газу, растекается поземной поверхности в соответствии с правилом инерции. Мелкие организмы размножаются гораздо быстрее чем крупные. Скорость передачи жизни зависит от плотности живого вещества.

 

7. Понятие автотрофности. Аатотрофными нааывают организмы, которые берут всё нужные им жизни химические элементы из окружающей их костной материи и не требуют для построения своего тела готовых соединений другого организма. Поле существования этих зеленых автотрофных организмов определяется областью проникновения солнечных лучей.

 

8. Жизнь целиком  определяется полем устойчивости  зеленой растительности, а пределы  жизни -- физико-химическими свойствами соединений, Строящих организм, их неразрушимостью в определенных условиях среды. Максимальное поле жизни определяется крайними пределами выживания организмов. Верхний предел жизни обусловливается лучистой энергией, присутствие которой исключает жизнь и от которой предохраняет озоновый щит. Нижний предел связан с достижением высокой температуры. Интервал В 433° С (от минус 252° С до плюс 180° С) является предельным тепловым полем.

 

9. Биосфера в основных  своих чертах представляет один  и тот же химический аппарат  с самых древних геологических  периодов. Жизнь оставалась в  течение геологического времени  постоянной, менялась только ее  форма. Само живое вещество  не является случайным созданием.

 

10. Всюдность жизни в биосфере. Жизнь постепенно, медленно приспосабливаясь, захватила биосферу, и захват этот не закончился. Поле устойчивости жизни есть результат приспособленности входе времени.

 

11. Формы нахождения  химических элементов: а) горные  породы и 

 

минералы; б) магмы; в) рассеянные элементы; г) живое вещество. Закон бережливости в использовании  живым веществом простых химических тел; раз вошедший элемент проходит длинный ряд состояний и организм вводит в себя только необходимое количество элементов.

 

12. Постоянство количества  живого вещества в биосфере. Количество  свободного кислорода в атмосфере  того же порядка, что и количество  живого вещества (1,5 х 10" г и 10го ^-- 10"г). Это обобщение справедливо в рамках значительных геологических отрезков времени, и оно следует из того, что живое вещество является посредником между Солнцем к Землей и стало быть либо его количество должно быть постоянным, либо должны меняться его энергетические характеристики.

 

3. Круговорот веществ и поток энергии в экосистемах

 

Питание — основной способ движения веществ и энергии.

 

 Организмы в  экосистеме связаны общностью  энергии и питательных веществ,  которые необходимы для поддержания  жизни. Главным источником энергии  для подавляющего большинства  живых организмов на Земле  является Солнце. Фотосинтезирующие  организмы (зеленые растения, цианобактерии, некоторые бактерии) непосредственно используют энергию солнечного света. При этом из углекислого газа и воды образуются сложные органические вещества, в которых часть солнечной энергии накапливается в форме химической энергии. Органические вещества служат источником энергии не только для самого растения, но и для других организмов экосистемы. Высвобождение заключенной в пище энергии происходит в процессе дыхания. Продукты дыхания — углекислый газ, вода и неорганические вещества — могут вновь использоваться зелеными растениями. В итоге вещества в данной экосистеме совершают бесконечный круговорот. При этом энергия, заключенная в пище, не совершает круговорот, а постепенно превращается в тепловую энергию и уходит из экосистемы. Поэтому необходимым условием существования экосистемы является постоянный приток энергии извне (рис. 14.5).

 

 

 

Рис. 14.5. Сулммарный поток энергии (темные стрелки) и круговорот веществ (светлые стрелки) в экосистеме.

 

 Таким образом,  основу экосистемы составляют  автотрофные организмы —продуценты (производители, созидатели), которые в процессе фотосинтеза создают богатую энергией пищу — первичное органическое вещество. В наземных экосистемах наиболее важная роль принадлежит высшим растениям, которые, образуя органические вещества, дают начало всем трофическим связям в экосистеме, служат субстратом для многих животных, грибов и микроорганизмов, активно влияют на микроклимат биотопа. В водных экосистемах главными производителями первичного органического вещества являются водоросли.

 

 Готовые органические  вещества используют для получения  и накопление энергии гетеротрофы,  или консументы (потребители). К гетеротрофам относятся растительноядные животные (консументы I Порядка), плотоядные, живущие за счет растительноядных форм (консументы II порядка), потребляющие других плотоядных (консументы Ш порядка) и т. д.

 

 Особую группу консументов составляют редуценты (разрушители, или] деструкторы), разлагающие органические остатки продуцентов и консументов до простых неорганических соединений, которые зат-ем используются продуцентами. К редуцентам относятся главным образом микрорганизмы — бактерии и грибы. В наземных экосистемах особенно важное значение имеют почвенные редуценты, вовлекающие в общий круговорот органические вещества отмерших растений (они потребляют до 90% первичной продукции леса). Таким образом, каждый живой организм в составе экосистемы занимает определенную экологическую нишу (место) в сложной системе экологических взаимоотношений с другими организмами и абиотическими условиями среды.