Тема 2. Элементы системного анализа в экологии и охране окружающей природной среды

Концепция экосистем по Ю. Одуму является главенствующей в современной экологии. Любая биосистема, включающая все совместно функционирующие организ­мы на данном участке и взаимодействующая с физической средой таким образом, что поток энергии создает четко определенные биотические структуры и круговорот ве­ществ между живой в неживой частями, представляет собой экосистему. Экосистема — основная функциональная единица в экологии. 1. Структура экосистемы

С точки зрения трофической структуры (от греч. trophe — питание) экосистему можно разделить на два яруса: 1) верхний автотрофный (самостоятельно питающий­ся) ярус, или «зеленый пояс», включающий растения или их части, содержащие хлоро­филл, где преобладают фиксация энергии света, использование простых неорганиче­ских соединений и накопление сложных органических соединений, и 2) нижний гете­ротрофный (питаемый другими) ярус, или «коричневый пояс» почв и осадков, разла­гающихся веществ, корней и т. д., в котором преобладают использование, трансформа­ция и разложение сложных соединений. С биологической точки зрения в составе эко­системы удобно выделять следующие компоненты: 1) неорганические вещества (С, N, С0₂, Н₂0 и др.), включающиеся в круговороты; 2) органические соединения (белки, уг­леводы, липиды, гумусовые вещества и т. д.), связывающие биотическую и абиотиче­скую части; 3) воздушную, водную и субстратную среду, включающую климатический режим и другие физические факторы; 4) продуцентов, автотрофных организмов, в ос­новном зеленые растения, которые могут производить пищу из простых неорганиче­ских веществ; 5) макроконсументов, или фаготрофов (от греч. phagos— пожиратель),— гетеротрофных организмов, в основном животных, питающихся други­ми организмами или частицами органического вещества; 6) микроконсументов, сапро-трофов (от греч. sapros — гнилой), деструкторов, или осмотрофов (от греч. osmos— толчок, давление),— гетеротрофных организмов, в основном бактерий и грибов, полу­чающих энергию либо путем разложения мертвых тканей, либо путем поглощения рас­творенного органического вещества, выделяющегося самопроизвольно или извлечен­ного сапротрофами из растений и других организмов.

Для функционирования экосистемы и поддержания ее структуры необходимо взаимодействие трех основных компонентов, а именно сообщества, потока энергии и

круговорота веществ.

Гипотеза однонаправленности потока энергии

ГИПОТЕЗА ОДНОНАПРАВЛЕННОСТИ ПОТОКА ЭНЕРГИИ - представление о потоке энергии через продуценты к консументам и редуцентам с падением величины потока на каждом трофическом уровне (в результате процессов жизнедеятельности). Часть поступающей солнечной энергии преобразуется сообществом и переходит на ка­чественно более высокую ступень, трансформируясь в органическое вещество, пред­ставляющее собой более концентрированную форму энергии, чем солнечный свет, но большая часть энергии деградирует, проходит через систему и покидает ее в виде низ­кокачественной тепловой энергии (тепловой сток).

Материя циркулирует в системе, а энергия — нет. Живые замкнутые термодина­мические системы невозможны. Все экосистемы, даже самая крупная — биосфера, яв­ляются открытыми системами: они должны получать и отдавать энергию. Поэтому в концептуально законченную экосистему входит среда на входе и среда на выходе и система, т. е. Экосистема =IE+S+OE.

? Вопросы к семинару ?

1) Экосистема и биогеоценоз. Основные сходства и различия этих понятий.

2) Основные виды и формы представления структур экосистем.

3) Гипотеза однонаправленности потока энергии.

Тема 3. Экология биосферы. Вещественные, энергетические и информационные процессы в экосистемах

Связь компонентов экосистемы осуществляется через три качественно разных группы процессов - преобразование и перемещение вещества, расходование энергии и ее накопление в связанной форме. Упорядочение этих процессов может рассматривать­ся как передача, накопление и перекодирование информации.

Типы земного вещества

В.И. Вернадский (1926) выделил 7 типов вещества биосферы: живое вещество, биогенное вещество (каустобиолиты, известняки и т.д.), косное вещество (образуется процессами, в которых живые организмы не участвуют), биокосное вещество (создает­ся одновременно живыми организмами и процессами неживой природы), радиоактив­ное вещество, рассеянные атомы и вещество космического происхождения.

Центральное звено в концепции В.И. Вернадского о биосфере - представление о живом веществе. Живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим обра­зом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической си­лой, ее определяющей. Количество энергии, заключенное в живом веществе равно 4,1910²¹-4,19-10²² Дж (10¹⁸-10¹⁹ ккал). Значительная часть ее идет на образование в пределах биосферы новых минералов, вне биосферы неизвестных (граниты), а часть -захоранивается в виде самого органического вещества (залежи каустобиолитов, нефти, газа). То есть при участии живого вещества лучистая энергия Солнца медленно прони­кает в глубь планеты. Благодаря деятельности живых организмов образуются кора вы­ветривания и почва, формируется определенный химический состав подземных и по­верхностных вод, поддерживается баланс газов в атмосфере.

Живое вещество распределено в биосфере крайне неравномерно. В зависимости от занимаемой площади В.И. Вернадский различал жизненные пленки (прослеживают­ся на огромных расстояниях - планктонные сообщества поверхности океана) и сгуще­ния жизни (более локальные скопления - например, Саргассово море).

2. Основные экологические законы, связанные с веществом биосферыПРАВИЛА БЕЙЕРИНКА (Bejerinck): а) все есть всюду (бактерии - жизненная

пленка - развиваются повсюду, где есть условия для их существования; и б) среда от­бирает (организмы "отобраны средой" либо потому, что в данных условиях могут раз­виваться только эти организмы, либо потому, что они побеждают своих конкурентов).

ГИПОТЕЗА КОНСТАНТНОСТИВернадского - количество живого вещества био­сферы для данного геологического периода есть величина постоянная.

АКСИОМА БИОГЕННОЙ МИГРАЦИИ АТОМОВ Вернадского - миграция хими­ческих элементов на земной поверхности и в биосфере осуществляется или непосред­ственно при участии живого вещества, или протекает в среде, геохимические свойства которой обусловлены живым веществом.

ПРОПОРЦИЯ (УРАВНЕНИЕ) РЭДФИЛДА - соотношение атомов важнейших эле­ментов в биосфере имеет следующий вид: C:N:P = 100:15:1.

БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ Вернадского:

Рис. 4. Круговорот кислорода в природе

Рис. 5. Круговорот углерода в природе

1) "Биогенная ми­грация атомов химиче­ских элементов в био­сфере всегда стремится к максимальному своему проявлению".

2) "Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию форм жизни, устойчивых в биосфере, идет в направлении, уве­личивающем биогенную миграцию атомов био­сферы".

3) "В течение всего геологического времени, с криптозоя (докембрий), заселение планеты долж­но было быть максималь­но возможным для всего живого вещества, которое тогда существовало".

3. Главные био­геохимические циклы биосферы

Самая существенная осо­бенность биосферы -биогенная миграция ато­мов химических элемен­тов (см. аксиому биоген­ной миграции атомов). Под биологическим кру­говоротом понимается по­ступление химических элементов их почвы и ат­мосферы в живые орга­низмы; превращение в них поступающих элементов в новые сложные соедине­ния и возвращение их в почву и атмосферу и в во­ду в процессе жизнедея­тельности с ежегодным спадом части органиче-

Рис. 6. Круговорот азота в природе

ского вещества или с полностью отмершими организмами, входящими в состав биогеоценоза.

Биогеохимический круговорот и биогеохи­мические связи суши, мо­ря, атмосферы, почвы, пресных вод и организмов весьма сложны. Каждый элемент или вещество имеет свою собственную структуру биогеохимиче­ского круговорота, отли­чающегося, по крайней мере в количественных деталях, от циркуляции всех других элементов.

Рис. 7. Круговорот урана (значения даны в %)

Все эти циклы, дополняемые циклами воздуха и воды, которые являются важной составной частью механизмов круговорота веществ, дают основание говорить о том, что локальные экосистемы земного шара образуют вместе единую мировую экосистему -биосферу. Имитационные модели основных биогеохимических циклов представлены на рисунках 4-7.

? Вопросы к семинару ?

1) Основные типы земного вещества и их характеристика. Живое вещество как ведущая сила эволюции земной природы.

2) Основные экологические законы, связанные с веществом биосферы: правила Бейеринка, гипотеза константности, биогеохимические принципы В.И. Вернадского, аксиома биогенной миграции атомов, уравнение Рэдфилда.

3) Система биомов, Гипотеза абиссальных сгущений жизни.

4) Круговороты вещества: большой и малый. Их особенности, скорости и функ­ции. Особенности круговоротов загрязняющих веществ.

5) Круговороты воды и кислорода.

6) Круговороты углерода и азота.

7) Круговороты фосфора, серы и урана.