Контрольная работа по "Экологии"

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

 

Вопрос 6

Энергия в экосистемах. Жизнь как  термодинамический процесс.

 

Экосистема - это совокупность живых организмов, обменивающихся непрерывно энергией, веществом и информацией друг с другом и с окружающей средой. Рассмотрим сначала процесс обмена энергией.

Энергию определяют, как способность производить работу. Свойства энергии описываются законами термодинамики.

Первый закон (начало) термодинамики или закон сохранения энергии утверждает, что энергия может переходить из одной формы в другую, но она не исчезает и не создается заново.

Второй закон (начало) термодинамики или закон энтропии утверждает, что в замкнутой системе энтропия может только возрастать. Применительно к энергии в экосистемах удобна следующая формулировка: процессы, связанные с превращениями энергии, могут происходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную, то есть деградирует. Мера количества энергии, которая становится недоступной для использования, или иначе мера изменения упорядоченности, которая происходит при деградации энергии, есть энтропия. Чем выше упорядоченность системы, тем меньше ее энтропия.

Самопроизвольные процессы ведут  систему к состоянию равновесия с окружающей средой, к росту энтропии, производству положительной энтропии. Если неживую неуравновешенную с окружающей средой систему изолировать, то всякое движение в ней скоро прекратится, система в целом угаснет и превратится в инертную группу материи, находящуюся в термодинамическом равновесии с окружающей средой, то есть в состоянии с максимальной энтропией. Это наиболее вероятное для системы состояние и самопроизвольно без внешних воздействий она выйти из него не сможет. Так, например, раскаленная сковородка, остыв, рассеяв тепло, сама уже не нагреется; энергия при этом не потерялась, она нагрела воздух, но изменилось качество энергии, она уже не может совершать работу. Таким образом, в неживых системах устойчиво их равновесное состояние.

У живых систем есть одно принципиальное отличие от неживых - они совершают постоянную работу против уравновешивания с окружающей средой. Это утверждение имеет следующий термодинамический смысл: как в неживых системах устойчиво их равновесное состоянии, так в живых системах устойчиво неравновесное состояние.

Жизнь - это единственный на Земле  естественный самопроизвольный процесс, в котором энтропия системы уменьшается. Почему это возможно?

Все живые системы являются открытыми  для обмена энергией. В окружающей их среде есть огромное количество даровой энергии Солнца, а в составе самой живой системы есть компоненты, обладающие механизмами, позволяющими эту энергию улавливать (извлекать), концентрировать, а затем снова рассеивать в окружающую среду. Как рассмотрено выше, рассеивание энергии, то есть увеличение энтропии, - это процесс, характерный для любой системы, как неживой, так и живой, а самостоятельное улавление и концентрирование энергии - это способность только живой системы. При этом происходит извлечение порядка, организации из окружающей среды, то есть выработка отрицательной энергии - негоэнтропии. Такой процесс образования порядка в системе из хаоса окружающей среды называется самоорганизацией. Он ведет к уменьшению энтропии живой системы, противодействует ее уравновешиванию с окружающей средой, то есть росту энтропии, что для живой системы при достижении максимальной энтропии - равновесия с окружающей средой - означает смерть.

Таким образом, любая живая система, в том числе и экосистема, поддерживает свою жизнедеятельность благодаря, во-первых, наличию в окружающей среде в избытке даровой энергии; во-вторых, способности за счет устройства составляющих ее компонентов эту энергию улавливать и концентрировать, а использовав - рассеивать в окружающую среду.

Даровая энергия окружающей среды - это энергия Солнца.

Доходящая до Земли энергия Солнца распределяется следующим образом: 33 % ее отражается облаками и пылью атмосферы (это так называемое альбедо или коэффициент отражения Земли); 67 % поглощается атмосферой, поверхностью Земли и океаном. Из этого количества поглощенной энергии лишь около одного процента расходуется на фотосинтез, а вся остальная энергия, нагрев атмосферу, сушу и океан, переизлучается в космическое пространство в форме невидимого теплового (инфракрасного) излучения. Этого одного процента энергии достаточно для обеспечения ей всего живого вещества планеты и поддержания им состояния с низкой энтропией. Как распределяется эта энергия между компонентами биотической структуры?

Улавливают  энергию Солнца и превращают ее в  потенциальную энергию органического вещества растения - продуценты. Весь остальной живой мир получает необходимую для жизнедеятельности энергию, в основном поедая их.

Перенос энергии  пищи от ее источника - продуцента через  ряд организмов, происходящий путем поедания одних организмов другими, называется пищевой или трофической цепью.

Как происходит перенос энергии по трофической  цепи? Животное употребило в пищу растение или консумента более низкого порядка. Содержащееся в пище органическое вещество расщепляется в присутствии кислорода с выделением энергии. Этот процесс, обратный фотосинтезу, называется дыханием:

Он имеет место в каждой клетке живого организма, поэтому его еще называют клеточным дыханием.

Около 90 % выделившейся энергии расходуется организмом на поддержание своей жизнедеятельности, то есть на обеспечение всех необходимых ему функций, после чего она в виде выделяемого организмом тепла рассеивается в окружающую среду и по сути дела безвозвратно теряется для всей живой системы. И только около 10 % энергии идет на построение тела, рост и размножение организма. Именно эти 10 % энергии и доступны следующему трофическому уровню. Таким образом, энергии с переходом от одного уровня к другому остается все меньше.

Но здесь  нужно иметь в виду, что чем  выше трофический уровень, тем в  более концентрированной форме  содержится в живых организмах энергия. Это объясняется присущей только живому веществу спецификой - обладанием механизмами концентрирования энергии.

Таким образом, сначала улавливание, а затем  концентрирование энергии с переходом  от одного трофического уровня к другому  обеспечивает повышение упорядоченности, организации живой системы, то есть уменьшение ее энтропии. Для поддержания низкой энтропии в равной степени важно, чтобы у элементов системы были эффективные механизмы как для улавливания и концентрации энергии - извлечения негоэнтропии из окружающей среды, так и для рассеивания ее в окружающую среду - освобождение от накапливающейся положительной энтропии. В таком сочетании они есть только в живых системах. Поэтому жизнь как термодинамический процесс представляет собой непрерывный обмен живых систем с окружающей средой, при котором происходит освобождение от производимой положительной энтропии и извлечение отрицательной, то есть порядка и организации.

Необходимо  понимать, что энтропия уменьшается  в конкретной локальной зоне, при этом в окружающей среде она возрастает. Таким образом, рост упорядоченности в одной части системы приводит к усилению неупорядоченности в других ее частях.

Для описания поведения энергии  в экосистемах употребляют термин поток энергии, поскольку в отличие от циклического движения веществ превращения энергии идут в одном направлении. Энергия, однажды использованная каким-либо организмом, превращается в тепло и утрачивается для экосистемы. Она не может быть снова "пущена в дело" как вода или неорганические вещества, по отношению к которым используется термин круговорот воды и веществ. Для своей жизнедеятельности каждый живой компонент, будь то организм или экосистема, должен получать от окружающей среды на входе постоянный приток дополнительной энергии. Живые замкнутые термодинамические системы невозможны.

Вопрос 12

Принцип стабильности экосистем

 

В природных  экосистемах популяции всех видов, населяющие данный биотоп, находятся  в непрерывном взаимодействии между  собой, образуя биотическое сообщество.

Когда экосистема включает небольшое число видов, пищевые связи в ней достаточно просты и очевидны: например, хищник - жертва, паразит - хозяин, фитофаг - растение и т.п. Для такого типа отношений в изменении численности взаимодействующих видов характерен сдвиг по фазе j (рис. 1):

 

Рис. 1. Сдвиг по фазе в численности  популяций хищника и жертвы

 

Однако в экосистеме каждый организм зависит одновременно от нескольких хищников, нескольких паразитов, которых всех вместе называют естественными врагами. Поэтому в естественных экосистемах речь идет о равновесии между организмами данного вида и его естественными врагами. В единой пищевой сети равновесие значительно устойчивее и менее подвержено резким колебаниям, так как разные враги начинают снижать численность вида при разной плотности его популяции. Это значительно ослабляет изменение популяции жертвы (рис. 2).

Рис. 2. Изменение численности популяции жертвы в естественной природной экосистеме

 

Динамическое равновесие популяций  в экосистеме не возникает автоматически, а устанавливается на протяжении многих тысяч и даже миллионов лет. За это время виды адаптируются друг к другу и к среде своего обитания, так что естественные враги, поэтому сами останутся без источника существования. Они лишь ограничивают рост популяции при повышении ее плотности. Аналогичным образом у видов есть определенная устойчивость к естественным паразитам и болезнетворным агентам, которые не приводят к полному вымиранию популяции, но также регулируют ее плотность.

Такое взаимоприспособление крайне важно  для равновесия популяций, а, следовательно, и экосистем в целом. Популяции, развивающиеся в изоляции друг от друга, как правило, не могут существовать в равновесии. Например, интродуцированный вид не всегда сталкивается с естественными врагами, в результате чего происходит популяционный взрыв его численности или, наоборот, он оказывается слишком "эффективным" естественным врагом, уничтожающим другие виды.

Вопрос 18

Нарушение законов функционирования природных экосистем деятельностью человека

 

Структурно биосфера представляет собой совокупность функционально связанных и иерархически соподчиненных отдельностей - экосистем. Такой взгляд на биосферу вытекает из принципа системной целостности - основного принципа современного научного знания. Именно потому, что отдельные составляющие - экосистемы - функциональны, а не хаотично структурны, возникает системная целостность. В связи с этим одно из наиболее катастрофичных последствий деятельности человека связано с разрушением структуры экосистем и, следовательно, с разрушением структуры биосферы в целом как системной целостности. Очевидно, что система с нарушенной структурой уже не может выполнять своих прежних функций, поэтому, как правило, разрушение внутренней структуры экосистемы ведет к ее исчезновению с поверхности Земли. Установлено, что если разрушение затрагивает три и более уровней иерархии экосистем, то начинается сначала замедленный, а потом все более ускоряющийся процесс опустынивания - искажаются процессы образования почв, меняется химия среды, исчезают многие виды организмов. И физиономически - по внешнему виду, и функционально - по производимой в биосфере работе - на месте одной экосистемы возникает нечто новое: вместо лесного ландшафта - сначала лесолуговой и лесополевой, а затем вместо густых в прошлом лесов - абсолютно безлесые пространства. Уже сейчас южная часть лесной полосы превратилась в антропогенную степь. Процесс разрушения идет лавинообразно и остановить его непросто. Разрушение экосистем сопровождается исчезновением видов. Число разновидностей биологических организмов на нашей планете огромно. К настоящему времени их описано около 1,5 млн., хотя общее число по имеющимся оценкам составляет не менее 5 млн. Специалисты утверждают, что в связи с деградацией природной среды ежегодно исчезают 10-15 тыс. разновидностей преимущественно простейших организмов. Это означает, что за грядущие пятьдесят лет планета потеряет по разным оценкам от четверти до половины своего биологического разнообразия, формировавшегося сотни миллионов лет. Многие разновидности исчезнут до того, как мы узнаем об их существовании. Биосфера является уникальным банком генетических ресурсов, на которых основана вся селекционная работа по созданию новых сортов растений и пород животных, продовольственная база, работа по изысканию новых микроорганизмов и другого генетического материала для биохимических процессов и биотехнологий сегодняшнего дня и будущего, значительная часть ассортимента лекарственных препаратов. Следует отметить, что если в селекционной работе основное внимание уделяется высшим формам растений и животных, то с развитием генно-инженерных методов и биотехнологий резко возрос интерес к простейшим формам. С точки зрения биоразнообразия особую роль играют территории тропического пояса. По имеющимся оценкам в тропических лесах, в прибрежных водах тропических стран и в зонах коралловых рифов обитает до двух третей всех биологических видов планеты. Утрата биологического разнообразия происходит, главным образом, из-за разрушения среды обитания, чрезмерной эксплуатации сельскохозяйственных ресурсов, загрязнения окружающей среды, привнесения в сложившиеся экосистемы инородных растений и животных без учета законов их функционирования. Проблема исчезновения видов состоит не просто в том, что их невозможно восстановить, но и в том, что их место займут другие. Весь вопрос, - какие? Этим процессом управляют свои законы. Каждый организм и экосистема по-своему проводит и использует ту энергию, которая приходит к Земле от Солнца. С энергетической точки зрения далеко не все равно, где живет слон, лев, коза или кролик, тем более мышь или саранча: чем мельче организм или совокупность организмов в экосистеме, тем в среднем интенсивнее протекает обмен веществ - метаболизм - и использование энергии. Не случайно существуют организмы разного размера, неодинаковой суточной активности и т. п. Сейчас преимущественно исчезают виды с крупными особями, их заменяют виды с мелкими индивидами. Полностью безлесая Земля, населенная живой мелкотой, будет совсем иной, чем сейчас. Изменятся круговороты всех веществ, газовый состав атмосферы, качество и количество воды в реках, другие условия жизни. Они могут оказаться совершенно непригодными для существования человека. Он исчезнет как биологический вид. Таким образом, существуют определенные закономерности замены экосистем в биосфере и видов в экосистеме. Их можно сформулировать следующим образом:

1) "свято  место пусто не бывает";

2) крупные  организмы исчезают раньше и  их сменяют мелкие;

3) более  эволюционно высокоорганизованные  виды вытесняются низкоорганизованными, быстрее размножающимися существами;

4) всегда побеждают те, кто быстрее  и легче изменяется, в том числе генетически.

Разрушение структуры экосистемы вследствие деятельности человека сопровождается стиранием функциональных границ между экосистемами. Это ведет к нарушению закона системного сепаратизма. Мир разделен на системные разности, и они стремятся к самостоятельности - сепаратизму. Закон системного сепаратизма утверждает, что разнокачественные составляющие всегда структурно относительно независимы. Сепаратизм очень ограничен - все системы тесно взаимосвязаны, имеют общую судьбу в пределах надсистемы, но все, же относительно самостоятельны! Хорошей иллюстрацией этому закону служит организм человека. Так, например, в теле человека есть сердце, печень, легкие, но нет сердце-печени, сердце-легкого и т.п. Так же, как во Вселенной, существуют мириады самостоятельных космических тел. Все стремится к разделению, хотя и действует в рамках общего системного целого - в рамках Вселенной. Отдельные части системы не могут быть беспредельно большими или маленькими - этому мешают необходимость выполнять определенные функции, а также информационные и энергетические ограничения.

Весь мир построен на законе оптимальности, утверждающем, что никакая система не может бесконечно сужаться или расширяться, она с наибольшей эффективностью функционирует в некоторых характерных для нее пространственно-временных пределах, называемых характерным размером системы. Так, млекопитающее не может быть меньше того размера, который необходим для рождения живых детенышей или снесения развитого яйца, как у яйценесущих утконоса и ехидны. Кроме того, необходимо вскармливать детенышей молоком и к тому же поддерживать свой обмен веществ, который тем интенсивнее, чем меньше размеры индивида. Млекопитающее также не может быть слишком крупным - очень много требуется корма, а его необходимо добыть. На его сбор затрачивается энергия. Ее затраты при чрезмерно большом размере животного оказываются больше поступления от съеденной пищи. Диапазон характерных размеров систем велик: слон, например, больше крошечной землеройки в 2000000 раз, крупнейшие звезды больше звезд карликов в тысячи раз. Однако нет млекопитающего или птицы размером со звезду, как нет и космического тела размером с живой организм. Помимо того, что каждая система имеет оптимальные для функционирования размеры, она еще имеет вектор своего развития: развитие, эволюция всегда однонаправлены. Нельзя прожить жизнь наоборот - от смерти к рождению, невозможно вспять повернуть эволюцию планеты. Это определено действием системогенетического закона, утверждающего, что индивидуальное развитие сокращенно повторяет ход эволюционного изменения своей системной структуры. Ему следуют индивиды, сокращенно и видоизмененно повторяющие в собственном развитии ряд эволюций своих предков. Так, человек, начиная свое развитие с одноклеточной формы, проходит затем фазу рыбообразного организма, "выходит на сушу" в период рождения и далее развивается в атмосфере планеты. Поэтому же закону развиваются экосистемы на освобожденных от воды берегах озер, рек и морей, на любых безжизненных пространствах: сначала одноклеточные, затем отдельные растения и животные, потом луговая и лесная растительность. Даже горные породы следуют системогенетическому закону - минералогические процессы в короткие интервалы времени как бы повторяют общую историю геологического развития. При этом фазы развития очень строго определены. Это утверждает закон последовательного прохождения фаз развития: фазы развития природной системы могут следовать лишь в эволюционно закрепленном порядке от относительно простого к сложному. Этот закон часто игнорируют, пытаясь, например, вырастить хвойные культуры там, где согласно природной последовательности смены пород им должны предшествовать в сукцессионном развитии другие виды древовидных растений. Иногда такие культуры удается вырастить, но они либо заболевают, либо оказываются столь нежизнестойкими, что погибают от малейших отклонений в условиях среды обитания. Еще одним важным законом природы является закон развития природной системы за счет окружающей ее среды: любая природная система может развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей ее среды. Изолированное саморазвитие невозможно. Если какая-либо экосистема, например участок леса, находится в чуждой для себя среде, например среди луга, то она постепенно деградирует. Лес сначала теряет лесные виды животных и трав, затем становится реже, приобретает парковый характер и, наконец, сменяется лугом. Закон растворения системы в чуждой среде сформулирован советским геофизиком Г.Ф. Хильми в 60-х годах XX столетия. Это очень важное обобщение было известно и раньше, и все-таки вопреки ему предполагалось, что выделяемые относительно небольшие заповедные участки можно сохранить как эталон природы. Оказалось же, что чем меньше площадь сохраняемой экосистемы в преобразованной природе, тем быстрее она разрушается. Знание этого закона совершенно по-новому ставит проблему охраны окружающей человека природной среды. Если раньше было достаточно сохранения лишь особо "важных" территорий, то теперь необходимо ставить вопрос о том, чтобы преобразуемые пространства занимали, лишь сравнительно небольшие площади. Малые по размерам охраняемые территории не могут обеспечить сохранения ни видов, ни экосистем. Чем больше экологическая разница между сохраняемым островом природы и окружающей его средой, тем проблематичнее его сохранение. Поэтому не сохранять острова "нетронутой природы", а преобразовывать природу лишь на небольших участках - такова должна быть новая стратегия в отношениях человека с окружающей средой. Такой подход важен с точки зрения не только сохранения природной среды, но и выживания самого человека как вида, ибо и для него как биологического существа нужна та среда жизни, которая была в момент его возникновения и эволюции, то есть в период формирования генетического приспособления к окружающему миру.