Биосфера Лекция 1 «Экология» лектор Подолина Е. А.
План лекции 1. Основные понятия и определения экологии. 2. Учение о биосфере. 3. Место Земли в космическом пространстве. 4. Строение оболочек Земли. 5. Энергия экосистем
Вопросы для семинара 1 1. Учение Вернадского В. И. 2. Вещество биосферы. 3. Формы энергии в биосфере. 4. Климат Земли. 5. Биогеоценозы. 6. Антропосфера. 7. Техносфера.
Литература 1. Николайкин Н. И. , Николайкина Н. Е. , Мелехова О. П. Экология. М. : Дрофа, 2006 2. Голицин А. Н. Основы промышленной экологии. - М. : Академия, 2006 3. Промышленная экология /Под ред. Денисова В. В. – Ростов-Дон, 2007 4. Хотунцев Ю. Л. Экология и экологическая безопасность М: Академия, 2002
Что такое экология «…сумма знаний, относящихся к экономике природы: изучение всей совокупности взаимоотношений животного с окружающей его средой, как органической, как и неорганической, и прежде всего дружественных или враждебных отношений с теми животными и растениями, с которыми он прямо или косвенно вступает в контакт. Одним словом, экология – это изучение всех сложных взаимоотношений, которые Дарвин назвал условиями, порождающими борьбу за существование» . Э. Геккель, 1866 г.
Современная экология – комплексная междисциплинарная наука, синтезирующая данные естественных и общественных наук о природе и взаимодействии природы и общества. Предметом изучения экологии являются объекты организменного, популяционно-видового, биоценотического, биогеоценотического и биосферного уровней организации в их взаимодействии с окружающей средой.
Задачи экологии изучение двусторонних связей между биологическими объектами разных уровней организации и средой; изучение механизмов адаптаций к среде; изучение механизмов устойчивости экосистем; изучение механизмов поддержания биоразнообразия; исследование продукционных процессов; моделирование экологических систем и процессов; изучение законов взаимодействия человеческого общества и природы; прогноз и оптимизация этого взаимодействия;
Методы экологического исследования: методы наблюдения и описания – сбор и описание факторов; сравнительный метод – анализ сходства и различий изучаемых объектов; исторический метод – ход развития исследуемого объекта; метод эксперимента – возможность изучать явления природы в заданных условиях; метод моделирования – описание сложных природных явлений относительно простыми моделями
Экология тесно связана с другими науками: фундаментальными – математикой, физикой, химией; естественными – биологией, географией, геологией, почвоведением; общественными – экономикой, социологией, психологией; прикладными – охраной природы, биотехнологией, растениеводством.
Значение экологии: экологические знания используются в сельском, лесном, промысловом хозяйстве, экономике, медицине, социологии; достижения экологии применяются при решении глобальных проблем современности: взаимоотношения общества с окружающей средой, рационального природопользования и охраны природы, продовольственного обеспечения
1. 1. Основные понятия и определения экологии Основным понятием и основной таксономической единицей является экосистема. Экосистема – любая система, состоящая из живых существ и среды их обитания, объединенных в единое функциональное целое. Основные свойства экосистем – способность осуществлять круговорот веществ, противостоять внешним воздействиям, производить биологическую продукцию. Существуют экосистемы: микроэкосистемы (небольшая система, например, капля воды с бактериями), мезоэкосистема (пруд, лес), макроэкосистема (океан, континент), глобальная экосистема (биосфера).
Биогеоценоз – динамическое, устойчивое сообщество растений, животных, микроорганизмов, находящееся в постоянном взаимодействии и непосредственном контакте с компонентами атмосферы, гидросферы и литосферы. Он состоит из биотических и абиотических частей, которые связаны непрерывным обменом веществ и представляет собой открытую систему. Основная функция биогеоценоза является обеспечение круговорота веществ и потоков энергии. Абиотическая среда, формирующая условия существования биоценоза – это экотоп. Биоценоз + Экотоп = Биогеоценоз (экосистема)
В структуре биогеоценоза выделяются четыре функциональных компонентов: абиотическое окружение – комплекс неживой природы; комплекс автотрофных организмов, обеспечивающих органическими веществами и энергией все остальные организмы – продуценты; комплекс гетеротропных организмов – консументов, живущих за счет питательных веществ, созданных первичными продуцентами; комплекс организмов, разлагающих органические соединения до минерального состояния – редуценты (дектрукторы).
Биоценоз – самоподдерживающаяся, саморегулирующаяся система, состоящая из определенного комплекса видов, в которой осуществляется круговорот веществ и энергии; к нему относятся: видовое разнообразие, численность видовых популяций, биомасса, биологическая продуктивность. Трофическую структуру биоценоза образуют 3 экологические группы организмов: продуценты, консументы и редуценты.
Биомасса – энергия всей совокупности особей биоценоза, выраженная в г или ккал ( 1 г сухого органического вещества при сгорании дает 4, 5 ккал энергии); Биологическая продуктивность – скорость образования биомассы растениями (первичная продуктивность) и скорость образования биомассы животными (вторичная продуктивность), выражается в г или ккал с единицы площади за год; Под популяцией понимают группу особей одного вида, находящегося во взаимодействии, совместно населяющих общую территорию и воспроизводящих себя в поколениях; Вид – особи, способные к половому размножению.
Основные законы экологии Б. Коммонер в 1971 году сформулировал следующие законы: все связано со всем (всеобщая связь процессов и явлений в природе); все должно куда-то деваться (любая природная система может развиваться только за счет использования энергетических и информационных возможностей окружающей ее среды); природа знает лучше (пока мы не имеем абсолютно достоверной информации о механизмах и функциях природных систем, мы легко можем навредить природе, пытаясь ее улучшить); ничто не дается даром (глобальная экосистема представляет собой единое целое, в рамках которого ничто не может быть выиграно или потеряно, она не может быть объектом всеобщего улучшения; все извлеченное в процессе человеческого труда должно быть возмещено).
1. 2. Учение о биосфере Биосфера – это область системного взаимодействия, в которой совокупная деятельность живых организмов проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба. 1802 году французский ученый Жан Батист Ламарк не употребляя термина «биосфера» отметил планетарную роль жизни в формировании земной коры, как в настоящее время так и в прошлые этапы истории планеты; 1875 году австрийский геолог Эдуард Зюсс ввел термин биосфера 1926 году советский ученый Владимир Иванович Вернадский опубликовал развернутое учение о биосфере.
Термин биосфера (от греч. «биос» – жизнь и «сфера» – шар) ввел в науку геолог, профессор Венского университета Эдвард Зюсс в 1875 г. для обозначения области земной поверхности, населенной жизнью. (1831 -1914) (1863 -1945) В своем главном труде «Химическое строение биосферы Земли и ее окружения» (1965) В. И. Вернадский высказал идею о том, что жизнь – важный фактор развития нашей планеты. В создании земной коры активно участвовали живые организмы; они и сейчас определяют специфику Земли.
Биосфера, по В. И. Вернадскому, это оболочка Земли, в пределах которой существует жизнь. Большинство ученых в качестве верхней теоретической границы биосферы указывают озоновый слой, средняя высота которого составляет 25 км. Выше живые организмы погибают от жесткого космического излучения, хотя споры бактерий обнаруживали и на
Биосфера состоит из семи взаимосвязанных веществ: живого, биогенного, косного, биокосного, радиоактивного, космического, рассеянных атомов. В пределах биосферы каждый химический элемент проходит через цепочку живых организмов, включается в систему биогеохимических превращений (весь кислород обновляется за 2000 лет, а углекислота за 300 лет). Основная планетарная функция живого вещества на Земле заключается в связывании и запасании солнечной энергии, которая затем идет на поддержание геохимических процессов в биосфере.
Современная биосфера является итогом длительного исторического развития всего органического мира в его взаимодействии с неживой природой. В процессе развития биосферы возникла сложная сеть взаимосвязанных процессов и явлений. Благодаря взаимодействию абиотических и биотических факторов биосфера находится в постоянном движении и развитии.
В результате техногенной деятельности человечества биосфера Земли коренным образом преобразуется и становится ноосферой – сферой разума. Ноосфера – новое геологическое явление на нашей планете, в ней человек становится крупнейшей геологической силой.
1. 3. Место Земли в космическом пространстве.
Согласно современным гипотезам Земля, как и другие планеты Солнечной системы, сформировалась из газопылевого облака 4, 5 миллиарда лет назад. Солнечной системе различают планеты земной группы: Меркурий, Венера, Земля, Марс и планеты гигант: Юпитер, Сатурн, Уран. Химический состав планет земной группы отличается от планет – гигантов. В процессе гравитационного уплотнения вещества Земли происходил нагрев внутренних оболочек за счет распада радиоактивных элементов земных пород: тяжелые элементы образовали ядро, легкие элементы сформировали мантию и земную кору.
Вулканические процессы в литосфере привели к выбросу на поверхность Земли ряда химических элементов, часть из которых образовалась атмосфера и гидросфера. Появление жизни на Земле во многом обусловлено уникальными физическими и химическими свойствами воды: растворимость, теплоемкость, наличие форм существования воды, прозрачность, образование твердой фазы состояния воды – льда, испарение воды с образованием водяного пара, конденсация паров воды. Земля движется вокруг солнца по эллиптической орбите, одновременно вращается вокруг собственной оси с запада на восток. Вращение вокруг собственной оси имеет определенные географические следствия: сжатие Земли у полюсов, отклонение тел движущихся горизонтально от первоначального движения; смена дня и ночи.
Расстояние от Земли до Солнца изменяется в течение года от 147 млн км (в январе) до 152 млн км (в июле); Земля движется по орбите с запада на восток со средней скоростью 30 км/с весь путь Земля проходит за 365 дней 6 ч 9 мин и 9 с; Ось вращения наклонена к плоскости орбиты под углом 66, 5 о, перемещается в пространстве параллельно самой себе в течение года, это приводит к важнейшим следствиям – смене времен года и неравенству дня и ночи, кроме экватора; Мировой океан занимает 71 % поверхности Земли, суша 29 %: в северном полушарии суша – 39 %, в южном – 19 %; в умеренных широтах в южном полушарии суши практически нет, однако в полярной области есть материк Антарктида.
1. 4 Строение оболочек Земли Выделяют различные сферы Земли: ядро, мантию, земную кору: литосферу, атмосферу, гидросферу, выделяют биосферу и ноосферу. Слои Земли имеют различный химический состав: в ходе формирования планеты более тяжелые элементы (железо и никель) образовывали ядро, относительно легкие (кремний и алюминий) сформировали земную кору, выделившиеся газы сформировали атмосферу, пары воды сформировали гидросферу; живые организмы сформировали особую оболочку – биосферу, с появлением человека появляется ноосфера.
Масса Земли 5, 98· 1024 кг, плотность поверхностных слоев от 2, 7± 3, 0 г/см 3, с глубиной плотность увеличивается до 11, 3 г/см 3 (средняя плотность 5, 52 г/см 3). Давление увеличивается с каждым километром на 27, 5 МПа, так в центре Земли давление достигает 300 тысяч МПа. Температура различна в поверхностных и глубинных слоях. Температура на поверхности Земли определяется притоком энергии Солнца и зависит от географической широты, времени года, времени суток. Верхний слой земной коры прогревается на незначительную глубину, а ниже располагается пояс постоянной температуры для данной местности. Ниже этого пояса (средняя величина 33 м) температура повышается, температура в центре Земли 2000 -3000 о. С. Земля создает ряд геофизических полей: гравитационное, магнитное, электрическое и тепловое.
.
Твердая оболочка земного шара, состоящая из трех слоев: земная кора, мантия и ядро. Земная кора располагается до глубины 35 км, в состав входят известные химические элементы – кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний (процентное содержание по убыванию). Мантия располагается между земной корой и ядром до глубины 2900 км, здесь преобладают – кислород, кремний, железо, магний, никель. Земная кора с верхним твердым слоем мантии называется литосферой, которая разбита глубинными разломами на крупные блоки – литосферные плиты, которые медленно перемещаются в горизонтальном направлении. Ядро располагается ниже мантии на глубине от 2900 км до 6371 км, состоит из железа и никеля.
Земная кора сложена из горных пород, состоящих из минералов. Горные породы делят на магматические, метаморфические и осадочные. Магматические породы образовались из жидкого силикатного расплава магмы при ее остывании в недрах земли или на ее поверхности, к ним относятся: гранит, габбро, базальт и другие. Метаморфические поры образовались из магматических и осадочных под влиянием высоких температур и давлении в средних слоях литосферы: сланцы, гнейс, мрамор. Осадочные породы образуются в поверхностной части земной коры в результате разрушения, переотложения и преобразования ранее существовавших пород. Химические осадочные породы – известняк, доломит, каменная соль; органические осадочные породы – известняки, мел, торф, нефть, уголь.
Атмосфера – воздушная оболочка Земли до высоты 3 тысяч км, состоящая из смеси газов: азота (78 % ), кислорода (21 %), углекислый газ, озон, 0, 9 % аргона, 0, 03 % углекислого газа и смесь: неона, гелия, криптона, ксенона, оксидов азота, метана, водорода, паров воды и озона. На долю водяных паров приходится до 3 % объема атмосферы. Кроме того в атмосфере присутствует пыль поднятая с поверхности Земли, также присутствует космическая и бактериальная пыль.
В атмосфере различают: тропосферу(до 18 км) (нижний слой атмосферы, в который входят взвешенные в воздухе водяные пары; здесь формируются погодные условия, температура с высотой уменьшается до -55 о. С); стратосферу(до 40 км) (слой над тропосферой, на высоте 2224 км наблюдается образования озонового слоя, который поглощает УФ- излучение); мезосфера (до 80 км) высокое содержание ионов газов, являющихся причиной полярных сияний; термосфера (до 800 км) характеризуется ростом температуры, увеличивается содержание легкий газов (водорода и гелия); экзосфера (до 3000 км) происходит рассеивание атмосферных газов в космическое пространство.
Гидросфера – водная оболочка Земли, располагается между атмосферой и литосферой, включает мировой океан, моря, озеры, реки, подземные воды, льды, снега полярных и высокогорных районов. Гидросферу делят на поверхностную (в ее состав входят воды океанов, морей, озер, рек, водохранилищ, болот, ледников, снежных покровов, покрывает 70, 8 % земной поверхности) и подземную (включает воды, находящиеся в верхней части земной коры). По отношению к объему земного шара общий объем гидросферы не превышает 0, 13 %, основную массу составляет мировой океан (96, 53 %), подземных вод 1, 69 %, остальное реки, озера, ледники. Более 98 % водных ресурсов составляет соленая вода морей и океанов, пресные воды 2 %. На долю пресных вод пригодных для водоснабжения приходится 0, 3 % объема гидросферы.
1. 5. Энергия экосистем – способность живой системы совершать работу. Источником энергии для функционирования практически всех экосистем является – Солнце. Энергия солнечного излучения улавливается в процессе фотосинтеза и преобразуется в химическую энергию, которая запасается в органических молекулах. Запас энергии в молекулах служит источником энергии для всех других организмов экосистемы.
Солнечная энергия запускает следующие циклы: Фотосинтез; определяет климат и погоду: температуру воздуха и поверхности земли, скорость и направление ветра, испарение, атмосферные осадки; определяет скорость эрозии и выветривания – разрушение горных пород до растворимых веществ, доступных растениям;
Превращения энергии в экосистеме подчиняется законам термодинамики: в соответствии с первым законом происходит переход энергии солнечного излучения (электромагнитной) в энергию химических связей, которая затем может быть превращена в работу и тепло: А = Б + В В соответствии со вторым законом термодинамики, поток энергии в экосистеме характеризуется однонаправленностью: переходя с одного трофического уровня на другой, энергия постоянно теряется: В< А
химические элементы в экосистеме совершают круговорот; получаемая экосистемой энергия непрерывно утрачивается; для сохранения равновесия необходимо регулярное поступление энергии извне; вывод: энергия протекает через экосистему «насквозь» , а биогенные элементы совершают внутренние циклы.
Скачать презентацию Биосфера Лекция 1 Экология лектор Подолина Е А
lektsia_1_Ekologia.ppt