87536

Законы экологии. Человек и биосфера

Лекция

Экология и защита окружающей среды

Законы экологии. Основные законы и принципы экологии. Закон минимума закон толерантности закон конкурентного исключения основной закон экологии. Основные экологические законы Функционирование как отдельных живых организмов так и экосистем в целом подчиняется ряду экологических законов.

Русский

2015-04-21

445 KB

1 чел.

Тема 2. Законы экологии. Человек и биосфера.

(Вопросы для рассмотрения. Основные законы и принципы экологии. Закон минимума, закон толерантности, закон конкурентного исключения, основной закон экологии. Учение Вернадского о биосфере и концепция ноосферы.)

Основные экологические законы

Функционирование, как отдельных живых организмов, так и экосистем в целом подчиняется ряду экологических законов.

Экологической общественности хорошо известны  общие экологические законы (точнее постулаты), сформулированные американским учёным          Б. Коммонером.

  1.  Всё связано со всем.
  2.  Ничто не исчезает в никуда.
  3.  Природа знает лучше — закон имеет двойной смысл — одновременно призыв сблизиться с природой и призыв крайне осторожно обращаться с природными системами.
  4.  Ничто не даётся даром (вольный перевод — в оригинале что-то вроде «Бесплатных обедов не бывает»).

Второй и четвёртый законы, по сути, являются перефразировкой закона сохранения вещества и энергии. Первый и третий законы — действительно основополагающие законы экологии, на которых должна строиться парадигма данной науки. Основным законом является первый, который может считаться основой экологической философии.

Наряду с законами (правилами) Б.Коммонера экологами сформулированы и другие законы. Наибольшее значение для функционирования экосистем имеют следующие  экологические законы.

Закон ограничивающего (лимитирующего) фактора, или Закон минимума Либиха — наиболее значим для организма тот фактор, который более всего отклоняется от оптимального его значения.

Именно от этого, минимально представленного в данный конкретный момент экологического фактора зависит выживание организма. В другие отрезки времени ограничивающим могут быть другие факторы. Немецкий химик Юстус фон Либих (1803—1873) установил, что продуктивность культурных растений, в первую очередь, зависит от того питательного вещества (минерального элемента), который представлен в почве наиболее слабо. Например, если фосфора в почве лишь 20 % от необходимой нормы, а кальция — 50 % от нормы, то ограничивающим фактором будет недостаток фосфора; необходимо в первую очередь внести в почву именно фосфорсодержащие удобрения.

По имени учёного названо образное представление этого закона — так называемая «бочка Либиха». Суть модели состоит в том, что вода при наполнении бочки начинает переливаться через наименьшую доску в бочке и длина остальных досок уже не имеет значения.



             Рис.1     Бочка Либиха

Закон независимости факторов В.Р.Вильямса: условия жизни равнозначны, ни один из факторов жизни не может быть заменён другим.

Экологические факторы действуют одновременно. Нередко воздействие одного фактора приводит к усилению или  ослаблению действия других факторов. Например, внесение органических удобрений повышенная влажность почвы усиливает воздействие на растения минеральных веществ (удобрений), ветер усиливает влияние температурного фактора и т.д.

Однако, согласно данному закону усиление положительное влияния одного или нескольких экологических факторов не может компенсировать (заменить) отсутствие другого необходимого для функционирования живой материи. Например отсутствие влаги нельзя заменить действием солнечного света или минеральных веществ и т.д..

В наиболее общем виде всю сложность влияния экологических факторов на организм отражает закон толерантности В. Шелфорда: отсутствие или невозможность процветания определяется недостатком (в качественном или количественном смысле) или, наоборот, избытком любого из ряда факторов, уровень которых может оказаться близким к пределам, переносимого данным организмом. Эти два предела называют пределами толерантности.

В данном законе нашло отражение положение, согласно которому для живого организма недопустимо не только недостаток но и избыток любого необходимого для существования фактора.

Организмы, для жизни которых требуются условия, ограниченные узким диапазоном толерантности по какому-либо лимитирующему фактору, называются стенобиотными, а способные жить в их широком диапазоне  - эврибиотными (рис. 2). Эврибиотные организмы наиболее широко распространены на Земле.

Рис.2  Сравнение относительных пределов толерантности стенобиотных и эврибиотных организмов

Общий закон биологической стойкости М.Ламотту (применим к любому из важных лимитирующих факторов): величина «оптимального интервала» характеризует величину «стойкости» организма, т.е. величину его толерантности к этому фактору, или «экологическую валентность».

Живые организмы видовой группы, популяции чувствуют себя комфортно в определённых границах того или иного фактора (температуры, влажности, состава атмосферного воздуха и др.) такой интервал значений фактора называется «оптимальным интервалом». Происходит активное размножение организмов данной группы, численность популяции растёт. К крайним участкам предельных для организма значениям фактора – интервал «пониженной жизнедеятельности» - организм чувствует себя угнетённо. Численность популяции сокращается. При  дальнейшем изменении значения фактора  - уменьшения ниже «нижней границы стойкости» или увеличения выше «верхней границы стойкости», организмы попадают в зону смерти и умирают (рис.3).

Рис.3 . Иллюстрация общего закона биологической стойкости (по М.Ламмоту)

Следствием закона биологической стойкости является, важный для сельскохозяйственного производства, биоклиматический закон Хопкинса: сроки наступления различных сезонных явлений (фенодат) зависят от широты, долготы местности и её высоты на уровнем моря.

Закон конкурентного исключения.

Данный закон формулируется следующим образом: два вида, занимающие одну экологическую нишу, не могут сосуществовать в одном месте неограниченно долго.

То, какой вид побеждает, зависит от внешних условий. В сходных условиях победить может каждый. Важным для победы обстоятельством является скорость роста популяции. Неспособность вида к биотической конкуренции ведет к его оттеснению и необходимости приспособления к более трудным условиям и факторам.

Экологическая ниша — место, занимаемое видом в биоценозе,   включающее комплекс его биоценотических связей и требований к факторам среды. Термин введён в 1914 году Дж. Гриннеллом и в 1927 году Чарльзом Элтоном.

Выход из конкуренции достигается расхождением требований к среде, изменению образа жизни или, другими словами, является разграничением экологических ниш видов. В этом случае они приобретают способность сосуществовать в одном биоценозе. Так, в мангровых зарослях побережья Южной Флориды обитают самые разные цапли и нередко на одной и той же отмели кормятся рыбой до девяти разных видов. При этом они практически не мешают друг другу, так как в их поведении — в том, какие охотничьи участки они предпочитают и как ловят рыбу, — выработались приспособления, позволяющие им занимать различные ниши в пределах одной и той же отмели.

Правило обязательного заполнения экологической ниши

Экологическая ниша не может быть пустой. Если ниша пустеет в результате вымирания какого-то вида, то она тут же заполняется другим видом.

Среда обитания обычно состоит из отдельных участков («пятен») с благоприятными и неблагоприятными условиями; эти пятна нередко доступны лишь временно, и возникают они непредсказуемо как во времени, так и в пространстве.

Свободные участки или «бреши» в местообитаниях возникают непредсказуемо во многих биотопах. Пожары или оползни могут приводить к образованию пустошей в лесах; шторм может оголить открытый участок морского берега, а прожорливые хищники где угодно могут истребить потенциальных жертв. Эти освободившиеся участки неизменно заселяются вновь.

Учение о биосфере

Биосфера – оболочка Земли, населённая организмами, составляющими в совокупности живое вещество планеты.

Более 100 лет назад (1875 год) знаменитый австрийский геолог Э. Зюсс назвал оболочку Земли, заселенную живыми организмами биосферой. Однако, основы учения о биосфере были заложены русским ученым, академиком В.И. Вернадским. Первые его труды о биосфере опубликованы в 1924-1926 годах. Он распространил понятие биосферы не только на организмы, но и на среду их обитания. Выявив геологическую роль организмов, он показал, что их деятельность представляет собой важнейший фактор преобразования минеральных оболочек планеты. Речь идет не о воздействии на окружающую среду отдельных (единичных) живых организмов (в масштабах земли или даже отдельного региона оно ничтожно), а суммарном воздействии живой материи в целом.
"На земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а потому более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом" (В.И.Вернадский).
Биосфера является крупнейшей (глобальной) экосистемой Земли. Она  находится в постоянном развитии. Эволюция биосферы обусловлена связанными между собой тремя группами факторов: развитием нашей планеты как космического тела; биологической эволюцией живых организмов; развитием человеческого общества.

ГРАНИЦЫ БИОСФЕРЫ

Верхняя и нижняя границы определяются факторами, обеспечивающими возможность существования живой материи. Верхняя граница -  примерно 20 км, определяется положением озонового слоя, защищающего Землю от ультра фиолетового излучения Солнца. Нижняя - 3-3,5 (по другим представлениям 7-7,5 км) ниже поверхности Земли, на которой в результате подъема температуры до 100 и более градусов по Цельсию вода в жидком состоянии отсутствует или находится в ничтожных количествах. Для океана его дно.

СТРУКТУРА биосферы

Биосфера включает: - живое вещество (совокупность всех организмов);

- биогенное вещество (неживая материя, образованная в результате жизнедеятельности организмов, например, уголь, торф, некоторые газы атмосферы); - косное вещество (неживая материи, формируемая без участия живых организмов - большинство горных пород); - биокосное вещество (представляет собой результат жизнедеятельности организмов и небиологических процессов, например, почвы).

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ живого вещества в биосфере.

На СУШЕ биомасса организмов на 99,2% представлена зелеными растениями и на 0,8% - животными и микроорганизмами.
В ОКЕАНЕ на долю растений приходится 6,3%, а на животных и микроорганизмы 93,7% всей биомассы. Биомасса суши в 630 раз больше биомассы Мирового океана. На долю живого вещества приходится 0,01-0,02% от косного вещества биосферы. Ежегодно воспроизводится до 10% биомассы, что составляет 230 млрд. тонн сухого органического вещества. В процесс фотосинтеза вовлекается 46 млрд. тонн углерода.

Обмен вещества и энергии в биосфере

Вещество биосферы (как любой экосистемы) постоянно находятся в движении. Важнейшее свойство биосферы — это циркуляция, обмен веществ и энергии между живыми организмами и компонентами окружающей (неживой) природной среды.

Процессы превращения первичной продукции (растительной) во вторичную (в частности животную) и их распад — это основа биологического круговорота веществ в экосистемах, основа круговорота жизни на Земле. Общий круговорот вещества и энергии в биосфере  состоит из частных круговоротов отдельных компонентов (элементов)

«Круговороты» основных химических элементов в биосфере

Биологический «круговорот» и его частные проявления круговороты химических элементов в реальных условиях обратимы неполностью. Часть вещества постоянно из них изымается и захораняется в толще осадочных пород в виде известняка, гумуса, торфа и других пород и минералов. В результате биокосные системы не возвращаются в прежнее состояние. Для них характерно поступательное развитие. Поэтому символом биологического круговорота служит не круг, а циклоида — линия, описываемая точкой, находящейся на ободе движущегося колеса. (Б.Б.Полынов). Другая аналогия — спираль.

Основными «круговоротами» химических элементов являются «круговороты» кислорода, углерода, азота.

Кислород

В атмосфере содержится примерно 21% О2 или 280 000 * 109 т.

Источники  кислорода: 1) зелёные растения на суше в процессе фотосинтеза производят в год 53 *109 т.  О2.  На море 414 *109 т.

2) небольшое количество кислорода поступает при разложении паров воды и с вулканическими газами.

Весь кислород атмосферы мог бы образоваться в течение всего лишь 600 лет. Он «проходит» через живое вещество примерно за 2000 лет. Это скорость «круговорота» кислорода в современную эпоху.

Рис.4 Циркуляция кислорода в природе

Углерод

Элементы круговорота углерода в биосфере (рис. 5).

  1.  Поглощение растениями при фотосинтезе атмосферного углерода, содержащегося в углекислом газе.
  2.  Поглощенный из атмосферы углерод идёт на образование органических веществ и частично выделяется обратно в атмосферу в процессе дыхания.
  3.  Использование органических веществ животными при питании и частичное возвращение С в атмосферу при их дыхании.
  4.  Часть органических веществ уходит в почву в результате отмирания растений и животных и их жизнедеятельности. Они разлагаются микроорганизмами и часть углерода уходит в атмосферу.

Содержание С в атмосфере — 0, 03%.

Скорость оборота углерода составляет примерно 300 лет. В 7 раз быстрее, чем кислород.

Рис.5 Круговорот углерода в природе

Концепция НООСФЕРЫ.

Ноосфе́ра (греч. νόος — разум и σφαρα — шарсфера разума; сфера взаимодействия общества и природы, в границах которой разумная человеческая деятельность становится определяющим фактором развития.

Ноосфера — предположительно новая, высшая стадия эволюции биосферы, становление которой связано с развитием общества, оказывающего глубокое воздействие на природные процессы.

Понятие «ноосфера» было  предложено профессором математики Сорбонны Эдуардом Леруа  (1870—1954), который трактовал её как «мыслящую» оболочку, формирующуюся человеческим сознанием. При этом Леруа основывался на лекциях по геохимии, которые в 1922/1923 годах читал в Сорбонне Владимир Иванович Вернадский (18631945).

(Справка. По мнению Вернадского, основными предпосылками создания ноосферы являются:

  •  расселение человечества по всей поверхности Земли и физическое уничтожение видов, «конкурирующих с человеком»,
  •  радикальное усовершенствование средств связи и создания единой информационной системы и единой системы контроля над людьми,
  •  создание и разработка новых источников энергии (атомной, геотермической, «лунной», «ганглиевой»),
  •  превращение человечества в «геологическую силу».

Кроме того, необходим ряд революционных преобразований в социальной сфере.

Академик утверждал, что эти социальные реформы и катаклизмы сделают «переход к ноосфере» необратимым.)

Вернадский утверждал, что человечество в ходе своего развития превращается в новую мощную «геологическую силу», своей мыслью и трудом преобразующую лик планеты. Соответственно, оно в целях своего сохранения должно будет взять на себя ответственность за развитие биосферы, превращающейся в ноосферу, а это потребует от него определённой социальной организации и новой, экологической и одновременно гуманистической этики.

Значение  концепции ноосферы, прежде всего в том, что она утверждает – человек стал крупной геологической силой, способной радикально преобразовать лик планеты. Этими возможностями человечество должно распорядиться «разумно»  в строгом соответствии с законами функционирования (развития) биосферы Земли. В этом случае его ждёт процветания. В противном случае человечество, а возможно и всю биосферу ждёт катастрофа.

Дополнительный материал.

Биогенетический закон Геккеля

Онтогенез — совокупность последовательных морфологических, физиологических и биохимических преобразований, претерпеваемых организмом за весь период жизни. Современный онтогенез организмов сложился в течение длительной эволюции, в результате их исторического развития — филогенеза.

Взаимосвязь между развитием живого в историко-эволюционном плане и индивидуальным развитием организма сформулирована Гекклем в виде биогенетического закона: онтогенез всякого организма есть краткое и сжатое повторение филогенеза данного вида. Иными словами, вначале в утробе матери (у млекопитающих и ждр.), а затем появившись на свет индивид в своем развитии повторяет в сокращенном виде историческое развитие  своего вида.

Основной закон экологии

Одним из главных достижений экологии стало открытие, что развиваются не только организмы и виды, но и экосистемы. Последовательность сообществ, сменяющих друг друга в данном районе, называется сукцессией. Сукцессия происходит в результате изменения физической среды под действием сообщества, т.е. контролируется им. Высокая продуктивность дает низкую надежность — еще одна формулировка основного закона экологии, из которой вытекает следующее правило: «Оптимальная эффективность всегда меньше максимальной». Разнообразие в соответствии с основным законом экологии непосредственно связано с устойчивостью. Однако пока неизвестно, до какой степени эта связь является причинно-следственной.

(Спрака.  Сукце́ссия (от лат. succesio — преемственность, наследование) — последовательная необратимая и закономерная смена одного биоценоза (фитоценоза, микробного сообществаи т. д.) другим на определённом участке среды во времени.

Теорию сукцессий изначально разрабатывали геоботаники, но затем стали широко использовать и другиеэкологи. Одним из первых теорию сукцессий разработал Ф. Клементс и развил В. Н. Сукачёв, а затем С. М. Разумовский.

Термин введён Ф. Клементсом для обозначения сменяющих друг друга во времени сообществ, образующих сукцессионный ряд (серию), где каждая предыдущая стадия (серийное сообщество) формирует условия для развития последующего. Если при этом не происходит вызывающих новую сукцессию событий, то ряд завершается относительно устойчивым сообществом, имеющим сбалансированный при данных факторах среды обмен. Такое сообщество Ф. Клементс назвал климакс. Единственным признаком климакса в смысле Клементса—Разумовского является отсутствие у него внутренних причин для изменения. Время существования сообщества ни в коем случае не может являться одним из признаков.)

Круговорот азота

Конец формы


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

14332. Механіка матеріальної точки. Механіка твердого тіла 1.26 MB
  ФІЗИКА Методичні рекомендації Модуль І Механіка матеріальної точки€ Модуль ІІ Механіка твердого тіла€ В методичних рекомендаціях наведені типові задачі з рішенням а також приклади задач для самостійної роботи. Заг
14333. Механіка матеріальної точки та твердого тіла 5.29 MB
  ФІЗИКА Методичні рекомендації до вивчення курсу фізики. €œМеханіка€ модуль ІІІ. Для студентів спеціальностей: У методичних рекомендаціях викладено повний лекційний курс з дисципліни фізики з розділу €œМеханіка матеріальної точки та твердого тіла€ а також навед
14334. Механіка матеріальної точки. Механіка твердого тіла. Методичка 1.78 MB
  Методичні рекомендації до виконання лабораторних робіт з дисципліни ФІЗИКА Модуль 1 €œМеханіка матеріальної точки€ модуль 2 €œМеханіка твердого тіла€ Миколаїв – 2010 Методичні рекомендації до виконання лабораторних робіт з дисципліни фізика розділу Ме...
14335. Вимірювання фізичних величин та обробка результатів. Методичка 619.5 KB
  МЕТОДИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ ДО ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМУ З ФІЗИКИ €œВимірювання фізичних величин та обробка результатів€ для студентів спеціальностей Методичні рекомендації до лабораторного практикуму з фізики: €œВимірювання фізичних величин та обробка результа
14336. Оценка достоверности результатов эксперимента с помощью критерия Пирсона 242.5 KB
  Лабораторная работа №5 Тема: Оценка достоверности результатов эксперимента с помощью критерия Пирсона Цель работы: ознакомление и приобретение навыков статической обработки результатов экспериментальных данных в судостроении Задача: выполнить статическую обрабо...
14337. Якорное устройство судна. Экспериментальная оценка уравнения цепной линии 270.5 KB
  Тема: Якорное устройство судна. Экспериментальная оценка уравнения цепной линии. Цель работы: Ознакомление с характеристиками и физическим явлением используемом в якорном устройстве. Задача: Определить основные параметры формы тяжелой гибкой нити усилия натя...
14338. Швартовное устройство судна. Экспериментальная оценка формулы Эйлера 542.5 KB
  Лабораторная работа №1 Тема: Швартовное устройство судна. Экспериментальная оценка формулы Эйлера. Цель работы: ознакомление с характеристиками и физическим явлением используемом в швартовном устройстве. Задача: определить коэффициент трения f между канатом...
14339. Грузовое устройство судна. Экспериментальная оценка грузоподъемности и коэффициента полезного действия талей 428.5 KB
  Лабораторная работа № 2 Тема: Грузовое устройство судна. Экспериментальная оценка грузоподъемности и коэффициента полезного действия талей. Цель работы: Ознакомление с характеристиками и физическим явлением используемом в грузовом устройстве. Задача: Опре...
14340. Якорное устройство судна. Экспериментальная оценка уравнения цепной линии 341 KB
  Лабораторная работа №3 Тема: Якорное устройство судна. Экспериментальная оценка уравнения цепной линии. Цель работы: Ознакомление с характеристиками и физическим явлением используемом в якорном устройстве. Задача: Определить основные параметры формы тяжелой г...