Лекция 2 Биосфера – глобальная экосистема Земли 1 Биосфера как одна из оболочек Земли. 2 Экологические факторы. 3 Организация жизни в биосфере: - популяции, - биоценоз, - экосистемы. 1
2
Основные этапы формирования жизни 3
Этапы развития термина «биосфера» 1802 г. 1875 г. Эдуард Зюсс 1831 - 1914 Введено в биологию, который понимал его как «сферический организм» . Не употребляя термина «биосфера» , отметил планетарную роль жизнь в формировании земной коры как в настоящее время, так и в прошлые этапы истории планеты, предвосхитив таким образом современный взгляд на это понятие. Введен термин «биосфера» в чисто топологическом смысле – как пространство, заполненное жизнью, не раскрыта сущность понятия. «Одно кажется чужеродным на этом большом, состоящем из сфер небесном теле, а именно органическая жизнь… На поверхности материков можно выделить самостоятельную биосферу» . 4
Этапы развития термина «биосфера» 1900 г. Василий Васильевич Докучаев 1846 - 1903 1926 г. Владимир Иванович Вернадский 1863 -1945 Идея о глобальном влиянии жизни на природные явления Развернутое учение о биосфере. 1926 – труд «Биосфера» . Принципиальные положения учения В. И. Вернадского о биосфере органически сочетают подходы его предшественников. С одной стороны, он рассматривает биосферу как оболочку Земли, в которой существует жизнь. В этом плане В. И. Вернадский различает газовую (атмосфера), водную (гидросфера) и каменную (литосфера) оболочки земного шара как составляющие биосферы, области распространения жизни. С другой стороны, В. И. Вернадский подчеркивал, что биосфера – не просто пространство, в котором обитают живые организмы; ее состав определяется деятельностью живых организмов, представляет собой результат их совокупной химической активности в настоящем и в 5
«Человечество как живое вещество непрерывно связано с материально-энергетическими процессами определенной геологической оболочки Земли – с ее биосферой. Оно не может физически быть от нее независимым ни на одну минуту» В. И. Вернадский, 1944 г. 6
Особенная роль человечества по В. И. Вернадскому ◦ Человечество не производитель, а потребитель биогеохимической энергии. ◦ Масса человечества, исходя из статистических данных демографии, не является постоянным количеством живого вещества. ◦ Геохимические функции характеризуются не массовой, а производственной деятельностью. (Характер усвоения человечеством энергии определяется разумом). 7
Компоненты вещества биосферы Согласно В. И. Вернадскому компоненты вещества биосферы: живое вещество -совокупность всех живых организмов на планете; биогенное вещество- вещество, создаваемое и перерабатываемое живыми организмами на протяжении геологической истории (каменный уголь, известняки, нефть и др. ); косное вещество (твердое, жидкое, газообразное)- вещество неорганического происхождения, в его образовании живое вещество не участвует (магматические горные породы); биокосное вещество- вещество, которое создается одновременно в процессах жизнедеятельности живых организмов и в процессах неорганической природы, причем организмы играют ведущую роль (почти вся вода биосферы, почва, ил); вещество, находящееся в процессе радиоактивного распада (радиоактивные элементы); рассеянные атомы, непрерывно образующиеся из различных видов земного вещества под влиянием космического излучения; вещество космического происхождения (космическая пыль, обломки метеоритов и т. д. ). 8
Особенности живого вещества 1. 2. 3. 4. 5. Огромная свободная энергия. Высокая скорость протекания химических реакций. Составляющие живое вещество химические соединения, устойчивы только в живых организмах. Непрерывное чередование поколений. Эволюционный процесс. 9
Живое вещество планеты и его биогеохимические функции Распределение живого вещества по планете Показатель Суша Океан Площадь 149 х 109 км 2 (29%) 361 х 109 км 2 (71%) Биомасса 2420 х 109 т (99, 87%) 3, 2 х 109 т (0, 13%) Растения 99, 2% 6, 3% Животные 0, 8% 93, 7% Биогеохимические функции живого вещества: • Захват и запасание солнечной энергии в процессе фотосинтеза. • Газовая функция. • Создание органического вещества и его перенос по планете. • Концентрация химических элементов. • Отложение органического вещества на длительный период (известняки, мел, каменный уголь, нефть, и. т. д. ). • Окислительно-восстановительная активность (анаэробные и аэробные организмы). • Создание почвы и ее плодородного слоя. • Санитарно-очистительная функция (разложение мертвых органических остатков). 10
Показатели геосфер Земли Показатели Гидросфера Литосфера 100 -300 средняя 200 Средняя для океана – 3, 8; макс. – 11, 022 Средняя – ок. 17; под континент ами – 3070, под океаном – 5 -7 До 2900 -6370 1320 1, 4 10, 2 896, 6 175, 2 У поверхнос ти Земли – 10 -3, 750 км-10 -16 0, 99 -1, 03 2, 7 -3, 32 -5, 68 9, 43 -17, 20 Масса 1021 г 5, 15 -5, 9 1455, 8 5 х104 405 х104 188 х104 Процент от общей массы Земли Около 10 -16 0, 02 0, 48 67, 2 32, 3 Глубина (толщи на), км Объем 1018 м 3 Плотность, г/см 3 Атмосфера Мантия Ядро Земли Относительные размеры основных резервуаров Земли, 10^24 г 11
Магнитосфера Земли 12
Строение атмосферы 13
Внутреннее строение Земли 1. Внутреннее ядро. (6) 2. Внешнее ядро. (5) 3. Мантия нижняя. (4) 4. Мантия средняя. (3) 5. Мантия верхняя. (2) 6. Литосфера (кора). (1) 7. Мантийный плюм () 14
Основные функции биосферы: 1. энергетическая: фотосинтез; поглощение. 2. концентрационная – живое вещество концентрирует в массе тела избранные хим. элементы; 3. деструктивная – сост. в том, чтоб разрушать; 4. средообразующая; 5. газообразующая; 6. транспортная – перенос веществ и энергии в результате активного движения организма; 7. информационная – выражается в том, что организмы и их колонии накапливают определенную информацию, закрепляет её в наследственности структуры и передаёт последующим поколениям. Основное звено передачи информации – клетка. 15
Концентрация химических элементов организмами Химические элементы Содержание химического элемента в атмосфере. литосфере и гидросфере, % Содержание химического элемента в телах организмов, % Растения Животные Углерод 0, 18 3, 00 18, 00 Азот 0, 03 0, 28 3, 00 Кислород 50, 02 79, 00 65, 00 Водород 0, 95 10, 00 16
Высота над уровнем моря , км Границы жизни в биосфере Озоновый слой 25 Суша 0 Океан 5 Температурный барьер +105ºС 11 Расположение биосферы в гидросфере, литосфере и в атмосфере 17
Схема биосферы 18
Биологически значимые элементы классифицируют на макроэлементы (содержание которых в живых организмах составляет больше 0, 01 %) и микроэлементы (содержание менее 0, 001 %). Основные макроэлементы: биогенные элементы*, калий, кальций, магний, натрий, сера, фосфор, хлор. Основные микроэлементы: бром, железо, йод, кобальт, марганец, медь, молибден, селен, фтор, хром, цинк *Биогенными элементы, входящие в состав макроэлементов, (кислород, углерод, азот, водород), из них преимущественно построены такие органические вещества, как белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты. 19
До возникновения биосферы на Земле были три круговорота: 1. минеральный – перемещение магматических продуктов из глубин на поверхность и обратно; 2. газовый – циркуляция воздушных масс, периодичски нагреваемых Солнцем; 3. круговорот воды – испарение и перенос ее воздушными массами, выпадение осадков. Эти три круговорота объединяются единым термином – геологический, (абиотический). Данный круговорот длится миллионы лет в системе «магматические породы – осадочные породы – метаморфические-магматические породы» ); осуществляет распределение вещества между поверхностными и более глубокими горизонтами земли. С появлением жизни добавился биотический, малый (биогенный) круговорот, который вместе с геологическим образовал – биогеохимический круговорот, глобальный или большой. Биогеохимическими циклами (БГХЦ) – замкнутые круговороты. 20
Непрерывному круговороту в биосфере Земли подвергаются только вещества: - обновление живого вещества биосферы – 8 лет; - фитомассы суши – 14 лет; - массы живого вещества океана – 33 дня; - полная смена вод в гидросфере – 2800 лет; - углекислого газа – 6, 3 года; - кислорода – несколько тысяч лет. 21
Биогеохимический цикл (БГХЦ) - возврат химических веществ из неорганической среды через живые организмы и растения обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии и химических реакций. Этими циклами в целом обеспечиваются важнейшие функции живого вещества в биосфере. В БГХЦ следует различать две части: 1) резервный фонд – это огромная масса движущихся веществ, не связанных с организмами; 2) обменный фонд – меньший, но активный, обусловленный прямым обменом биогенным веществом между организмами и их окружением. С точки зрения существования биосферы биогеохимические циклы делят на: круговорот газообразных веществ с резервным фондом: - в атмосфере или гидросфере; - осадочный цикл с резервным фондом в земной коре. 22
23
24
“» Эволюция видов переходит в эволюцию биосферы”» В. И. Вернадский К чему стремится человеческое общество? 25
«В буре и грозе родится Ноосфера, в уничтожении войн и голода впервые выразится проявление нашей Планеты как целого и будет первым проявлением перехода Биосферы в Ноосферу, в котором человечество станет мощной геологической силой, где сможет геологически проявиться его мысль, сознание, разум» . В. И. Вернадский 26
«Ноосфера есть новое геологическое явление на нашей планете. В ней впервые человек становится крупной геологической силой. Он может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни, перестраивать коренным образом по сравнению с тем, что было раньше» В. И. Вернадский 27
Условия существования ноосферы 1. заселение человеком всей планеты; 2. резкое преобразование средств связи и обмена между странами; 3. усиление связей, в том числе политических, между всеми странами Земли; 4. начало преобладания геологической роли человека над другими геологическими процессами, протекающими в биосфере; 5. расширение границ биосферы и выход в космос; 6. открытие новых источников энергии; 7. равенство людей всех рас и религий; 8. увеличение роли народных масс в решении вопросов внешней и внутренней политики; 9. свобода научной мысли и научного искания от давления религиозных, философских и политических построений и создание в государственном строе условий, благоприятных для свободной научной мысли; 10. продуманная система народного образования и подъем благосостояния трудящихся. Создание реальной возможности не допустить недоедания и голода, нищеты и чрезвычайно ослабить болезни; 11. разумное преобразование первичной природы Земли с целью сделать ее способной удовлетворить все материальные, эстетические и духовные потребности численно возрастающего населения; 12. исключение войн из жизни общества. 28
Концепция перехода России к устойчивому развитию завершается словами: «Движение человечества к устойчивому развитию в конечном счете приведет к формированию предсказанной В. И. Вернадским сферы разума (ноосферы), когда мерилом национального и индивидуального богатства станут духовные ценности и знания Человека, живущего в гармонии с окружающей средой» . Указ Президента РФ от 1 апреля 1996 г. N 440 «О Концепции перехода Российской Федерации к устойчивому развитию» 29
Вывод Вероятно, ноосферное развитие — это разумно управляемое соразвитие человека, общества и природы, при котором удовлетворение жизненных потребностей населения осуществляется без ущерба интересов будущих поколений. Одна древняя индийская мудрость дополняет эту мысль словами: «Природа — это не то, что мы получили в наследство от предков, а то, что мы взяли взаймы у потомков» . Современная цивилизация сможет выжить, если будет действовать как единый разумный механизм, не нарушающий равновесия в биосфере, основываясь на коллективном разуме и воле. 30
Основные среды обитания наземно-воздушная; водная; почвенная; другой организм. 31
Классификация природных ресурсов 32
Различные подходы к классификации экологических факторов ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ АБИОТИЧЕСКИЕ Свет, температура, влага, ветер, воздух, давление, течения, долгота дня и т. д. Механический состав почвы, ее проницаемость, влагоемкость Содержание в почве или воде элементов питания, газовый состав, соленость воды Влияние растений на других членов биоценоза Влияние животных на других членов биоценоза Антропогенные факторы, возникающие в результате деятельности человека ПО ВРЕМЕНИ ПО ПЕРИОДИЧНОСТИ ПО ОЧЕРЕДНОСТИ Эволюционный Исторический Периодический Непериодический Первичный Вторичный ПО ПРОИСХОЖДЕНИЮ Космический Абиотический (абиогенный) Биогенный Биотический Биологический Природно-антропогенный Антропогенный (в том числе техногенный, загрязнение среды, в том числе беспокойстве ПО СРЕДЕ ВОЗНИКНОВЕНИЯ Атмосферный Водный (влажности) Геоморфологический Эдафический Физиологический Генетический Популяционный Биоценотический Экосистемный Биосферный 33
34
35
Межвидовые отношения обычно классифицируются по “интересам”, на базе которых организмы строят свои отношения: пищевые (трофические) связи - формируют трофическую структуру экосистемы, помимо отношений, когда одни организмы служат пищей другим, сюда же можно отнести отношения между растениями и насекомыми-опылителями цветов, конкурентные отношения из-за похожей пищи и др. ; это самый распространенный тип связей; топические связи (от греческого слова топос - место) основаны на особенностях местообитания, например, отношения между деревьями и гнездящимися на них птицами, живущими на них насекомыми, отношения между организмами и их паразитами и т. п. ; форические связи (от латинского слова форас - наружу) отношения по распространению семян, плодов и т. п. ; фабрические связи (от латинского слова фабрикато изготовление) - использование растений, пуха, шерсти для постройки гнезд, убежищ и т. п. 36
Основные типы экологических взаимодействий 37
Схемы действия факторов среды на живые организмы 38
Экологическая пластичность видов (по Ю. Одуму, 1975) 39
Бочка «Либиха» 40
Глубокий снежный покров – лимитирующий фактор в распространении оленей (по Г. А. Новикову, 1981) 41
Ценность концепции лимитирующих факторов состоит в том, что она дает экологу отправную точку при исследовании сложных ситуаций в природе. Основное внимание следует уделять тем факторам, которые функционально важны для организма на какихто этапах его жизненного цикла. Тогда удастся довольно точно предсказать результат изменений среды. Для этого нужно: 1. Путем наблюдений, анализа, эксперимента обнаружить функционально важные для организма факторы. 2. Определить, как эти факторы влияют на особей, популяции, сообщества. Чтобы определить, сможет ли вид существовать в данном регионе, нужно выяснить, не выходят ли какие-либо лимитирующие факторы среды за пределы его экологической валентности, особенно в период размножения и развития. Выявление лимитирующих факторов очень важно в практике сельского хозяйства, т. к. , направив основные усилия на их устранения, можно быстро и эффективно повысить урожайность растений или продуктивность животных. Таким образом, знание законов о лимитирующих факторах является ключом к управлению жизнедеятельностью организмов в природе и хозяйстве. 42
V – влажность; X – химический состав пищи; T – температура. Внутри – реальная ниша. 43
Пространственное подразделение популяций (по Н. П. Наумову, 1963): 1 — ареал вида; 2— 4 — соответственно географическая, экологическая и элементарная популяции 44
Возрастные пирамиды населения бывшего СССР (1970 г. ) и Кении (1969 г. ) и типы возрастных пирамид: 1 — массовое размножение: 2 — стабильная популяция; 3 — сокращающаяся популяция (по Н. Ф. Реймерсу, 1990) 45
Возрастное распределение сельди в уловах Пирамида возрастов одного из американских оленей: а) — классическое изображение; б) — изображение с учетом погибших особей в каждой группе (на рисунке слева — самцы, справа — самки) (по Н. Ф. Реймерсу, 1990) Возрастное распределение сельди в уловах Динамика возрастной пирамиды одной из культуры дрозофилы (Drosophila melanogaster) 46
Возрастная структура популяций у животных (по Ю. Одуму, 1975; В. Ф. Осадчих и Е. А. Яблонской, 1968): А – общая схема, Б – лабораторные популяции полевки Microtus agrestis, В – сезонные изменения соотношения возрастных групп моллюска Adaena vitrea в Северном Каспии. Различная штриховка – разные возрастные группы: 1– растущая, 2 – стабильная, 3 – сокращающаяся популяции 47
Возрастная структура таймырской популяции дикого северного оленя в период умеренного (А) и чрезмерного (Б) охотничьего промысла (по А. А. Колпащикову, 2000) 48
Средние показатели скорости и передачи жизни (в сутках) - бактерия холеры – 1, 25; - инфузория – 10, 6; - диатомовые – 16, 8; - зеленый планктон – 166 -183; - насекомые – 366; - рыбы – 2159; - цветковые растения – 4076; - птицы (куры) – 5600 -6100; млекопитающие: - крысы – 2800; - дикая свинья – 37 600; - слон индийский – 376 000. 49
Различные типы кривых выживания 50
Динамика популяций По динамике численности популяции делят на 3 вида: 1. экспоненциальный рост – при отсутствии сопротивления среды, неограниченный рост популяции 2. логистический или S-образный – рост популяции при наличии ограничивающих факторов (K – предельная численность (емкость среды, N=K при r=0), к которым затем происходит приспособление (максимальные адаптационные возможности > сопротивления среды); Рост популяций замедляется, но лишь организм приспособляется и наблюдается устойчивое сочетание во времени. Высокая рождаемость быстро обеспечивает оптимальную для доли численности снижается до уровня характерного смертности. Кривая «бум и крах» . 3. Экспоненциальный рост или снижение (кривая «бум и крах» ). Максимальные адаптационные возможности < сопротивления среды. 1. 2. = d. N/d. T=r. NК; . Популяции быстро размножаются, со временем все внешние ресурсы исчерпаны, поэтому происходит вымирание. 51
Фазы изменений кривой численности популяции 52
Экологическая система, или экосистема - это объективно существующая часть природной среды, которая имеет пространственно-территориальные границы и в которой живые и неживые ее элементы взаимодействуют как единое функциональное целое и связаны между собой обменом веществом и энергией. Термин "экосистема" введен в экологию Артур Тэнсли английским ботаником А. Тэнсли (1935), (15. 08. 1871– 25. 11. 1955) который подчеркивал, что при таком подходе неорганические и органические факторы выступают как равноправные компоненты и мы не можем отделить организмы от конкретной окружающей их среды. 2 53 53
ФИТОЦЕНОЗ + ЗООЦЕНОЗ + МИКРОБИОЦЕНОЗ = БИОЦЕНОЗ + БИОТОП = БИОГЕОЦЕНОЗ / ЭКОСИСТЕМА Термин «биогеоценоз» в 1940 г. введен советским ботаником, лесоводом и географом, академиком АН СССР Сукачевым В. Н. Понятие «экосистема» шире и полностью охватывает понятие «биогеоценоз» , который является частным случаем экосистемы. Каждый биогеоценоз может быть назван экосистемой, но не каждая экосистема относится к рангу биогеоценоза. Биогеоценоз - экосистема, но только в рамках фитоценоза. Сукачев Владимир Николаевич 7. 06. 1880 – 9. 02. 1967 54
Трофическая (функциональная) структура экосистемы (цепь питания) и круговорот вещества в ней 55 8 55
11 56 56
Пищевая сеть 12 57 57
13 58 58
По величине биологической продуктивности экосистемы подразделяют на 4 класса: • экосистемы очень высокой продуктивности - >2 кг/м^2 в год (тропические леса, коралловые рифы); • экосистемы высокой продуктивности – 1 -2 кг/м^2 в год (липово-дубовые леса, прибрежные заросли рогоза или тростника на озерах, посевы кукурузы и многолетних трав при орошении и внесении высоких доз удобрений); • экосистемы умеренной продуктивности - 0, 25 -1 кг/м^2 в год (сосновые и березовые леса, сенокосные луга и степи, заросшие водными растениями озера); • экосистемы низкой продуктивности - < 0, 25 кг/м^2 в год (пустыни, тундра, горные степи, большая часть морских экосистем). Средняя биологическая продуктивность экосистем на планете равна 0, 3 кг/м^2 в год. 14 59 59
……… Пирамида биомассы 15 60 60
18 61 61
19 62 62
21 63 63
Поток энергии и круговорот веществ в экосистеме 22 64 64
Процесс сукцессии 23 65 65
24 66 66
25 67 67
26 68 68
Состав АГРЭС 27 69 69
Агроэкосистемы (сельскохозяйственные экосистемы), создаваемые человеком для получения высокой чистой продукции автотрофов (урожая), отличаются от природных рядом особенностей: -незначительное видовое разнообразие (агроценоз состоит из небольшого числ а видов, имеющих высокую численность); - Короткие цепи питания; - Неполный круговорот веществ (часть питательных веществ выносится с урожаем); - Источником энергии является не только Солнце, но и деятельность человека (мелиорация, орошение, применение удобрений); - Искусственный отбор (действие естественного отбора ослаблено, отбор осуществляет человек; - Отсутствие саморегуляции. - Агроценозы – неустойчивые системы, способны существовать только при поддержке человека. 28 70 70
Сравнение АГРЭС с естественными экосистемами (ЭС) 29 71 71
Скачать презентацию Лекция 2 Биосфера глобальная экосистема Земли
Л. 2 - Биосфера 31.11.2012.ppt