Возникновение и развитие экологии как науки

ВВЕДЕНИЕ

Долгие годы подготовка инженерно-технических специалистов включала только дисциплины технического профиля. При таком однобоком восприятии мира не учитывалась взаимосвязь природы и человека. Технократический стиль мышления, стремление покорить природу и обратить её на службу человеку, следствием которого явились неэкологичность основных технологических процессов, дающих огромное количество отходов, и грандиозные планы “переделки” природы, привели к ситуации глобального экологического кризиса. Сложился хищнический стереотип взаимоотношений человека и природы: человек – это единственный хищник, который берет от природы больше, чем ему нужно для жизни, грабит и разоряет землю, он главный “мусоропроизводитель” биосферы.

Попытки решить сложившиеся экологические проблемы только техническими способами оказались безрезультатными. Стало очевидным, что невозможно сохранить качество окружающей человека среды без участия природных экологических систем. Природа – это живая, развивающаяся по естественнонаучным законам система, и человек не может строить свою жизнь и производство, не зная и не учитывая этих закономерностей. Одних технических приемов “охраны” природы оказалось недостаточно, в первую очередь надо менять стереотипы поведения людей и традиции природопользования, что является отнюдь не инженерной задачей. Человек должен обладать определенными моральными установками и ценностями, позволяющими поступать в определенной ситуации экологически целесообразно. Ещё В. И. Вернадский считал главными этические вопросы: первично ущербным становится сознание человека и только затем ущербной становится окружающая его природная среда.

Ликвидировать пробел в образовании и дать будущим инженерам комплексные и системные знания о мире (естественнонаучные и гуманитарные) призвана экология. Изучение экологии в техническом вузе должно решать две задачи: давать объективные знания в области общей экологии (экологическое образование) и воспитывать экологическое мировоззрение. Добиться преодоления сложившегося экологического кризиса можно, только решая эти задачи в совокупности.

Курс экологии является естественнонаучным и межпредметным, поэтому для его изучения помимо биологии должны привлекаться знания физики, химии, инженерные знания. Воспитание же личностных качеств и выработка экологического мировоззрения невозможны без привлечения гуманитарных знаний таких наук, как психология, философия, социология, история науки.

Опыт преподавания экологии студентам некоторых специальностей УГТУ-УПИ показывает, что у студентов вызывают интерес сведения о воздействии изменившихся факторов окружающей среды на здоровье. Здоровый образ жизни становится сегодня модным, эта тенденция идет с Запада и похоже приживается у нас: здоровое питание, фитнесс-центры, отказ от курения, хотя последнее более актуально для Америки и Европейских стран (абсолютное потребление сигарет за последнее десятилетие сократилось в 12 странах мира). Нужно использовать веяние этой моды и давать понять, что не может быть человек здоровым, ведя “здоровый образ жизни” при отравленном воздухе и воде, начиненных пестицидами овощах и фруктах. В попытке приспособиться он приобретает лишь новые болезни и накапливает мутации в генах, что не увеличивает его возможность выжить в сложившихся условиях, а приводит в целом к физической и моральной деградации человечества. Достижения медицины, какими бы потрясающими они ни были, всегда будут отставать от существующей действительности и их влияние на здоровье человека будет ограниченным.

Только показав, что человек имеет природную сущность и подчиняется тем же самым закономерностям, по которым существует весь природный мир; раскрыв все аспекты сложных взаимоотношений человека и природы: причины возникновения современных экологических проблем, основные закономерности, связывающие состояние окружающей среды и здоровье человека; изучив вопросы экологии человека, связанные с сущностью человеческих потребностей и объективно существующими рамками в их удовлетворении, психологическими особенностями мировосприятия, можно рассчитывать на сознательную выработку экологически целесообразного мировоззрения и желания изменить себя, своё “биосферное” поведение, чтобы выжить в природном мире и сохранить его для своих детей.

В представленном учебном пособии автор сделал попытку изложить материал, придерживаясь указанной доктрины.

Автор

ЛЕКЦИЯ 1

География

Климатология Биогеография Геоэкология

Биология

Зоология Экология животных

Ботаника Экология растений

Микробиология Экология микробов Биоэкология

Генетика Популяционная экология

Медицина

Гигиена Экология человека

Антропология социальная

Прикладная

Энергетика экология

Промышленность Проблемы ресурсов

Сельское хозяйство и окружающей среды

Промысел

Общая экология– посвящена объединению разнообразных экологических знаний на едином научном фундаменте. В нее входят:

- теоретическая экология, которая устанавливает общие закономерности функционирования экологических систем, в том числе эколого-экономических, природно-хозяйственных.

- экспериментальная экология, которая даёт важный фактический материал. Для изучения механизмов природных экологических процессов, которые происходят медленно и зависят от множества факторов, недостаточно одних натурных наблюдений, нужен эксперимент.

- математическая экология. Возможности эксперимента в экологии тоже ограничены, поэтому широко применяется математическое моделирование, в том числе моделирование экологических систем и процессов. В этот раздел экологии входит также обработка информации и количественный анализ фактического материала.

Биоэкология – основа всей экологии, подразделяется:

– на экологию естественных биологических систем: особей как представителей определенных видов (аутоэкология), популяций (демэкология), многовидовых сообществ, биоценозов (синэкология), экологических систем (биогеоценология).

– экологию групп организмов – царств бактерий, грибов, животных, а также более мелких систематических единиц: типов, классов и т. п.

– эволюционную экологию – учение роли экологических факторов в эволюции и о смене экологических условий в истории Земли.

Геоэкология изучает взаимоотношения организмов и среды обитания с точки зрения их географической принадлежности и влияния географических факторов. В нее входят:

– экология обитателей разных сред (наземной, почвенной, водной);

– природно-климатических зон (тундра, тайга, степи, пустыни и др.);

– экология ландшафтов (речных долин, морских берегов, болот, островов, гор, коралловых рифов и т.п.). Ландшафт – первичная единица геоэкологии. К геоэкологии относится экологическое описание различных стран, регионов, континентов.

На стыке биоэкологи и геоэкологии возникло учение о биосфере – глобальной экологической системе.

Экология человека – комплекс дисциплин, исследующих взаимодействие человека как индивида (биологической особи) и личности (социального субъекта) с окружающей его природной и социальной средой. Экология человека занимается в том числе изучением экологических ниш и потребностей человека, вопросов сохранения и развития здоровья, совершенствования физических и психических возможностей человека. Экология человека отличается от экологии животных многообразием условий обитания и деятельности, наличием цивилизации и культуры.

Социальная экология как часть экологии человека изучает связь общественных структур (начиная с семьи и других малых общественных групп) с природной и социальной средой их окружения. Сюда относятся экологические факторы цивилизации, экологическая демография, экология этносов и этногенеза – формирование рас и наций.

Прикладная экология – большой комплекс дисциплин, связанных с разными областями человеческой деятельности и взаимоотношений между человеческим обществом и природой. Все основные аспекты науки об окружающей среде реализуются в прикладной экологии. Она исследует механизмы воздействий человека на природу, следит за качеством окружающей человека среды, осуществляет экологическую регламентацию хозяйственной деятельности, разрабатывает технические средства охраны окружающей среды и восстановления нарушенных человеком природных систем. В её состав входят:

- инженерная экология – изучение и разработка инженерных средств и норм, отвечающих экологическим требованиям производства в строительстве, энергетике, транспорте и т. д. Это контроль и регламентация выброса побочных продуктов; экологическая безопасность технологических процессов.

- сельскохозяйственная экология – биологические основы земледелия и животноводства, принципы рациональной эксплуатации земельных ресурсов, повышения продуктивности и получения экологически чистой продукции.

- экология поселений, коммунальная экология – разделы, посвященные особенностям и влиянию различных факторов искусственно преобразованной среды обитания людей в жилищах, городах (урбоэкология).

- биоресурсная и промысловая экологияизучает условия, при которых эксплуатация биологических ресурсов природных экосистем (лесов, водоемов, морей, океана) не приводит к их истощению и нарушению, утрате видов, уменьшению биологического разнообразия.

- медицинская экология – область изучения экологических условий возникновения, распространения и развития болезней человека, в т. ч. хронических заболеваний, обусловленных природными факторами и неблагоприятными техногенными воздействиями среды. Медицинская экология включает экологию отдыха и оздоровления людей.

Из перечня видно, что экологизации подверглись многие науки и сферы практической деятельности. Все они тесно взаимодействуют, взаимно обогащая друг друга, поэтому многие из них сложно разделить. Например, экологию человека, социологию и антропологию, или сельскохозяйственную экологию и агробиологию. Это говорит о том, что экология занимает лидирующее положение в современной науке и способствует объединению знаний о природе и обществе на едином научном фундаменте.

Методы экологии

Разнообразие исследовательских задач влечет за собой и разнообразие применяемых в экологии методов. Экология – системная наука, поэтому своих методов у нее нет, она заимствует методы из других наук.

1. Методы регистрации и оценки состояния среды. К ним относятся метеорологические наблюдения; изменения температуры, солености, химического состава воды; радиационного фона; химической и бактериальной загрязненности среды и т. п. Сюда же относится и мониторинг – периодическое или непрерывное слежение за состоянием экологических объектов и за качеством среды. Для мониторинга используются физико-химические методы анализа, биоиндикации и биотестирования, дистанционного зондирования, телеметрии, компьютерной обработки данных.

2. Методы количественного учета организмов и методы оценки биомассы и продуктивности растений и животных. Они лежат в основе изучения природных сообществ. Для этого применяются подсчёты особей на контрольных площадках, отлов и мечение животных, наблюдение за их перемещением с помощью телеметрии, аэрокосмической регистрации численности стад, скопления рыбы, методы демографии для изучения динамики численности популяций.

3. Исследование влияния факторов среды на жизнедеятельность организмов – наиболее разнообразная группа методов экологии. Чаще всего применяют наблюдения в лабораторных условиях за изменением функций растений или животных под воздействием строго контролируемого фактора. Таким образом, определяются критические и летальные дозы химических и других агентов. Впоследствии эти данные используются для экологического нормирования. Для выполнения указанных задач используются экспериментальная техника и методы биохимии, токсикологии.

4. Методы изучения взаимоотношений между организмами во многовидовых сообществах. Натурные и лабораторные исследования пищевых отношений, переноса вещества и энергии от одного звена пищевой цепи к другому: от растений к травоядным животным, от травоядных к хищникам.

5. Методы математического моделирования. Данная группа методов используется для целей прогнозирования и управления, приобретая всё большее значение. В настоящее время существуют математические модели техногенных эмиссий, распространения загрязнений в атмосфере, самоочищения реки, модели многих экологических процессов. Сложнее моделировать экологические системы. Для этой цели используются численные методы имитационного моделирования, основанные на применении современной вычислительной техники, т. к. аналитические решения практически невозможны.

6. Методы прикладной экологии. К ним относятся: создание банков экологической информации, относящихся к различным регионам, территориям, городам, промышленным центрам; анализ состояния территорий для целей экологической диагностики и оздоровления экологической обстановки; методы экологически ориентированного проектирования хозяйственных и гражданских объектов; методы снижения вредного действия производств и изделий; методы оценки влияния техногенных загрязнений на здоровье людей; методы контроля хозяйственной деятельности, такие как экологическая аттестация предприятий, экологическая экспертиза и т. д.

Иерархия понятий

Главный объект экологии – экологическая система. Система – реальная или мыслимая совокупность частей, целостные свойства которой определяются взаимодействием между частями (элементами системы). В материальном мире существуют определённые иерархии – упорядоченные последовательности соподчинения и усложнения. Все многообразие нашего мира можно представить в виде трех последовательно возникших иерархий. Это – природная, физико-химико-биологическая (Ф, Х, Б), социальная (С) и техническая (Т) иерархии. Объединение систем из физико-химической части иерархии с живыми системами биологической части иерархии приводит к экологическим системам.

Рис.1 . Иерархия материальных систем по Т. А. Акимовой, В. В. Хаскину [2]

В иерархии происходит укрупнение понятий: внизу – строгое физико- химическое описание, чем выше понятие, тем оно более общее.

Каждый отдельный организм является самостоятельной биологической системой. Организмы одного вида в природе всегда представлены не по отдельности, а определёнными организованными совокупностями – популяциями. Популяция(от лат. populus – народ)– особи одного вида, заселяющие общие места обитания, связанные общностью генофонда, способные к саморегулированию и поддержанию определенной численности. Особи в популяции неравноценны, популяция имеет возрастную, половую и функциональную структуру. Система более высокого уровня в общей картине организации живого вещества называется биоценозом (от греч. bios – жизнь, koinos – общий) – сообщество разных видов растений, животных и микроорганизмов, населяющих участок с более или менее однородными условиями. Макросистема более высокого ранга биогеоценоз (bios – жизнь, – земля, koinos – общий). Это понятие ввел в экологию В. Н. Сукачев (1942). Биогеоценоз – это природная система, включающая в себя популяции растений, животных и микроорганизмов, а также окружающую их среду.

биогеоценоз = биоценоз + биотоп

органическая неорганическая

составляющая составляющая

Биотоп – однородное по абиотическим факторам среды пространство, пристанище биоценоза (лес, луг), т. е. участок с одинаковыми ландшафтными, климатическими, почвенными условиями.

Основной объект экологии – экологическая система. Экосистема– совокупность разных видов организмов и условий их существования, находящихся во взаимосвязи друг с другом. Термин “экосистема” ввел в экологию английский ботаник Артур Тенсли (1935). Понятия “экосистема” и “биогеоценоз” близки друг к другу, но не являются синонимами. Понятие экосистемы не ограничивается какими-то признаками ранга, размера, сложности или происхождения. Оно может быть применимо как к относительно простым искусственным (аквариум, теплица, космический корабль), так и к сложным естественным комплексам организмов и среды их обитания (озеро, лес, океан). Биогеоценоз – главная форма существования природных экосистем, наземная экосистема. Главная характеристика, определяющая биогеоценоз – тип растительного покрова, по которому судят о принадлежности однородных биогеоценозов к данному экологическому сообществу (сообщество березового леса, ковыльной степи, сфагнового болота и т.п.). Таким образом, каждый биогеоценоз можно назвать экосистемой, но не каждая экосистема может быть отнесена к биогеоценозу.

Глобальная экосистема, включающая в себя все живое вещество планеты и среду его обитания – биосфера.

ЛЕКЦИЯ 2

БИОСФЕРА

Учение Вернадского о биосфере, роль живого вещества в существовании глобальной экологической системы. Химические и физиологические особенности живых систем. Механизмы стабилизации (гомеостаз и саморегулирование) и термодинамика биологических систем.

Строение биосферы и ее функции. Обобщенный принцип Ле Шателье – Брауна.

Биосфера (от греч. bios – жизнь, sphaira – шар) – область обитания живых организмов (живая оболочка Земли), состав, структура и энергетика которой определяются и контролируются планетарной совокупностью живых организмов – биотой. Термин “биосфера” впервые ввел австрийский геолог Эдуард Зюсс (1873). Развитие учения о биосфере принадлежит В. И. Вернадскому. По В. И. Вернадскому “биосфера представляет собой определенную геологическую оболочку, резко отличную от всех других оболочек нашей планеты”. Он отмечал, что биосфера – это не просто пространство, где обитают живые организмы, но и все геохимические процессы на Земле, формирование лика Земли, связаны с живыми существами. В. И. Вернадский отмечал, что живое вещество аккумулирует энергию космоса, трансформирует ее в энергию земных процессов (химическую, механическую, тепловую, электрическую), непрерывно обменивается веществом с неживой материей, обеспечивая образование нового живого вещества и определяя тем самым эволюцию биосферы. Неживые тела не способны самопроизвольно осуществлять столь сложные преобразования энергии в естественных процессах. Вернадский пришел к выводу, что жизнь может существовать только в форме гигантской системы – биосферы. Изменяются виды живых организмов, изменяется и биосфера. Их развитие связано между собой и подчиняется определенным законам.

Вещество биосферы сложно и имеет, по мнению Вернадского, несколько компонентов [3].

1. Живое вещество– совокупность всех живых организмов на планете (микроорганизмов, растений, животных).

2. Косное вещество (твердое, жидкое, газообразное) – вещество неорганического происхождения, т. е. образуемое в процессах, в которых живое вещество не участвует (магматические руды, продукты их преобразования абиогенного и т. д.).

3. Биогенное вещество – вещество, создаваемое и перерабатываемое живыми организмами на протяжении геологической истории (торф, уголь, битумы, известняки, нефть и т. д.). К ним же относят химические соединения или элементы, необходимые для поддержания жизни.

4. Биокосное вещество – вещество, которое создается одновременно в процессах жизнедеятельности живых организмов и в процессах неорганической природы, причем организмы играют ведущую роль (вода, почвы, илы).

5. Вещества, находящиеся в процессе радиоактивного распада(радиоактивные элементы).

6. Рассеянные атомы, непрерывно образующиеся из различных видов земного вещества под влиянием космического излучения.

7. Вещество космического происхождения (космическая пыль, обломки метеоритов и т. д.)

Важнейшие компоненты биосферы по качеству и значительные по количеству – первые четыре вида вещества. Как мы уже сказали, все геохимические процессы на Земле связаны с живыми существами. В чем же состоят особенности живого вещества?

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:

_DG

n СО₂ + n Н₂О (CH₂О)_n + n O₂ ,

^{D H}

где DG – энергия солнечного света, потреблённая в процессе фотосинтеза.

D H – энергия окисления органических веществ (дыхания).

DG = D 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.

Основные функции биосферы

Биота биосферы выполняет ряд важных биогеохимических функций.

1. Газовая функция. Растения и животные постоянно обмениваются кислородом и углекислым газом с окружающей средой в процессе фотосинтеза и дыхания. Растения сыграли решающую роль в формировании состава современной атмосферы. Появление органов фотосинтеза у водорослей обусловило увеличение содержания кислорода в атмосфере, появление животных.

2. Концентрационная функция. Живые организмы, пропуская через своё тело большие объёмы воздуха и природных растворов, осуществляют биогенную миграцию и концентрирование химических элементов. Например, строительство раковин и скелетов, образование коралловых островов, известняков, месторождений серы, биосинтез органики.

3. Окислительно-восстановительная функция. Многие вещества в природе крайне устойчивы и не подвергаются окислению при обычных условиях. Однако живые клетки благодаря эффективным катализаторам – ферментам – способны осуществлять многие окислительно-восстановительные реакции в миллионы раз быстрее, чем в неживой среде. Молекула азота N₂ очень устойчива, поэтому соединение азота с другими элементами требует больших затрат энергии. Наиболее эффективная фиксация азота в природе осуществляется клубеньковыми бактериями бобовых растений.

4. Информационная функция. Организмы оказались способны к получению информации: генетическая информация и молекулярная информация, связанная с обменом веществ и энергии.

Перечисленные функции живого вещества биосферы образуют средообразующую функцию.

5. Средорегулирующая функция – биотическая регуляция окружающей среды. Биота способна с большой точностью и длительное время поддерживать на постоянном уровне важные параметры окружающей среды несмотря на сложность регулируемой системы.

6. Энергетическая функция. Выполняется в основном зелёными растениями. В основе этой функции лежит процесс фотосинтеза. Растения аккумулируют солнечную энергию и перераспределяют её между остальными компонентами биосферы.

ЛЕКЦИЯ 3

ЭКОСИСТЕМЫ

Состав и функциональная структура экосистем. Пищевые цепи и сети. Трофические уровни. Основные принципы функционирования экосистем. Развитие экосистем и проблема устойчивости.

Экосистема – пространственно определенная совокупность живых организмов и среды их обитания, объединенных вещественно-энергетическими и информационными взаимодействиями. Наземная экосистема называется биогеоценоз.

Каждая экосистема имеет определенную функциональную структуру. В неё входят группы организмов разных видов, различаемые по способу питания: автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофы (самопитающиеся) – организмы, образующие органическое вещество своего тела из неорганических веществ углекислого газа и воды посредством процессов фотосинтеза или хемосинтеза. Фотосинтез осуществляют фотоавтотрофы – все зеленые растения и микроорганизмы. Хемосинтез – хемоавтотрофные бактерии. Хемоавтотрофы в природных экосистемах играют относительно небольшую роль, за исключением чрезвычайно важных нитрифицирующих бактерий. Автотрофы составляют основную массу всех живых существ и полностью отвечают за образование нового органического вещества в любой экосистеме, т. е. являются производителями продукции – продуцентами экосистем.

Гетеротрофы (питающиеся другими) – организмы, потребляющие готовое органическое вещество других организмов и продуктов их жизнедеятельности. Это все животные, грибы и большая часть бактерий. У некоторых групп бактерий, как и у большинства растений-паразитов и насекомоядных растений (росянка поедает насекомых), совмещаются автотрофные и гетеротрофные функции. Гетеротрофы выступают как потребители и деструкторы (разрушители) органических веществ. В зависимости от источников питания и участия в деструкции они также подразделяются на несколько категорий: консументы, детритофаги и редуценты.

Консументы– потребители органического вещества живых организмов. К их числу относят:

- растительноядные животные (фитофаги), питающиеся живыми растениями (тля, кузнечик, овца, олень и т. д.);

- плотоядные животные (зоофаги), поедающие других животных – различные хищники (хищные насекомые, насекомоядные и хищные птицы, хищные рептилии, звери), нападающие не только на зоофагов, но и на других хищников (хищники второго и третьего порядка);

- паразиты, живущие за счет веществ организма хозяина; это уже не только животные (черви, насекомые, клещи), но и различные микроорганизмы (бактерии, простейшие), а также некоторые грибы и растения;

- симбиотрофы – бактерии, грибы, простейшие, которые, питаясь соками или выделениями организма-хозяина, выполняют вместе с этим и жизненно важные для него трофические функции. Это мицелиальные грибы, участвующие в корневом питании многих растений; клубеньковые бактерии бобовых, связывающие молекулы азота; микробиальное население сложных желудков жвачных животных, повышающие перевариваемость и усвоение поедаемой растительной пищи.

Существует немало животных со смешанным питанием, потребляющих и растительную, и животную пищу.

Детритофаги– организмы, питающиеся мертвым органическим веществом – остатками растений и животных. Это различные гнилостные бактерии, грибы, черви, личинки насекомых и другие животные. Детритофаги участвуют в образовании почвы, торфа, донных отложений водоемов.

Редуценты– бактерии и низшие грибы – завершают деструкционную работу консументов и детритофагов, доводя разложения органики до ее полной минерализации и возвращая в среду экосистемы последние порции CO₂, H₂O и минеральных веществ.

Все названные группы организмов в любой экосистеме тесно взаимодействуют между собой, согласуя потоки вещества и энергии. Их совместное функционирование не только поддерживает структуру и целостность биоценоза, но и оказывает существенное влияние на аби