169835 (742596), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

3. Экологические системы

3.1 Понятие экосистемы и её структура

К экологическим системам обычно относят все живые системы вместе с окружающей средой, начиная от отдельной популяции и кончая биосферой. Все они являются открытыми системами, которые обмениваются с окружающей природной средой веществом, энергией или информацией.

Наименьшей единицей экологии является совокупность организмов определённого вида, которые взаимодействуют между собой внутри вида, а вид как целостная система – с окружающей средой. Следовательно, ни молекулярный, ни клеточный, ни организменный уровни не рассматриваются в экологии, хотя и живая молекула, и клетка, и тем более организм представляют собой открытые системы, которые могут существовать благодаря взаимодействию со средой. Даже отдельные популяции в чистом виде выделить трудно, поскольку в естественной природе они объединяются в более обширные сообщества живых систем и взаимодействуют также с неживой природой.

На популяционном уровне, как уже указывалось, различают такие экологические системы, как биоценозы, биогеоценозы, в которых сообщества исследуются в тесной связи с неживой природой, почвой, микроклиматом, гидрологией местности и др.

Более крупным системным объединением в экологии считается биом, который включает в свой состав живые системы и неживые факторы на обширной территории, например, лиственные породы деревьев на среднерусской возвышенности. Наконец, биосфера охватывает, согласно В.И. Вернадскому, всё живое, биокостное и костное вещество на поверхности нашей Планеты. И хотя она в известных пределах функционирует автономно, но в конечном счёте может существовать и развиваться только за счёт энергии Солнца и поэтому является также отрытой системой, которую в отличие от других систем называют экосферой.

В экосистеме можно выделить два уровня:

1. на верхнем, автотрофном уровне, который называют также зелёным поясом, мы встречаемся с растениями, содержащими хлорофилл и перерабатывающими солнечную энергию и простые неорганические вещества в сложные органические соединения;

2. на нижнем, гетеротрофном уровне происходит преобразование и разложение этих органических соединений в простые.

Таким образом, в механизме трофических или пищевых связей можно выделить следующие элементы:

• продуценты автотрофных организмов, главным образом зелёных растений, которые могут производить пищу из простых неорганических веществ;

• фаготрофы, к которым принадлежат гетеротрофные животные, питающиеся другими живыми организмами, растительными и животными;

• сапротрофы, которые получают энергию путём разложения мёртвых тканей или растворённого органического вещества.

В связи с этим гетеротрофные организмы разделяют на биофагов, поедающих живые организмы, и сапрофагов, питающихся мёртвыми тканями.

Одна из характерных черт всех экосистем состоит в том, что в них происходит постоянное взаимодействие автотрофных и гетеротрофных подсистем организмов. Такое взаимодействие приводит к круговороту вещества в природе, несмотря на то, что иногда организмы разделены в пространстве. Как мы видели, автотрофные процессы наиболее интенсивно протекают на зелёном ярусе системы, где растениям доступен солнечный свет, в то время как на нижнем ярусе усиленно протекают гетеротрофные процессы. Аналогичный разрыв может происходить и во времени, причём значительный разрыв между производством органического вещества автотрофами и гетеротрофами приводит к его накоплению. Именно благодаря этому разрыву на нашей планете образовались огромные запасы ископаемого топлива.

3.2 Взаимодействие экосистемы и окружающей её среды

В биологических исследованиях, в особенности в классической теории эволюции, обычно делается упор на изучение воздействия окружающей среды на живые организмы и их системы. Именно под таким углом зрения рассматривается действие различных факторов на их эволюцию. Однако живые системы отнюдь не являются пассивными в этом взаимодействии. Они в свою очередь оказывают мощное воздействие на окружающую среду.

В наибольшей степени такое воздействие можно проследить на примере больших экосистем. Именно на такого рода факты опирается известная гипотеза Геи, выдвинутая в 1970-е годы физиком и изобретателем Джеймсом Лавлоком и микробиологом Линн Маргулисом. Своё название эта гипотеза получила от древнегреческого слова «geia», обозначающего землю. Она предполагает совершенно иной подход к причинам и факторам становления жизни на нашей планете. Если традиционно допускают, что жизнь на Земле появилась после того, когда возникла сначала атмосфера со значительным содержанием в ней кислорода, то согласно гипотезе Геи, образование кислорода в атмосфере в целом обязано воздействию тех простых живых организмов, которые в бескислородных условиях стали выделять в окружающее пространство кислород. Своё предположение авторы гипотезы подтверждают ссылкой на то, что на близких к Земле планетах Марсе и Венере их атмосфера состоит соответственно на 95 и 98% из углекислого газа, кислорода на Марсе содержится 0,13%, а на Венере замечены лишь его следы. Примерно такая же картина наблюдалась бы на безжизненной Земле. Конечно, гипотеза Геи нуждается в дальнейших разработках и обосновании, но опирается она на важную идею, что жизнь обеспечивает условия для своего дальнейшего существования и развития. Это подтверждается многочисленными фактами из истории развития органического мира.

Чтобы выжить, а тем более развиваться, экосистемы должны соответствующим образом регулировать свою деятельность и управляться, а это требует установления информационных связей между различными подсистемами и элементами системы.

3.3 Информация и управление в экосистемах

Наряду с потоками и круговоротом вещества экосистемы связаны также информационными связями. Управление и регулирование в них осуществляется с помощью физических и химических элементов. Такие управляющие системы по своему функциональному назначению можно рассматривать как кибернетические. Однако в отличие от искусственных систем, созданных человеком, в природных экосистемах элементы управления рассредоточены внутри самой системы, и поэтому процесс регулирования и управления в них происходит не из внешнего специального органа управления, как в технических кибернетических системах.

Согласно кибернетическим принципам, всякий процесс управления связан с передачей и преобразованием информации. Для устойчивого динамического функционирования системы необходимо, во-первых, наличие прямых сигналов, несущих информацию от управляющего к исполнительному устройству, во-вторых, обратных сигналов, которые информируют управляющее устройство об исполнении команд. В экосистемах живой природы действие принципа положительной обратной связи приобретает более сложный характер, поскольку, как мы видели, регулирующие центры распределены внутри всей системы, а наличие избыточности, когда одна и та же функция выполняется несколькими компонентами, обеспечивает необходимую стабильность системы. Для более конкретной характеристики стабильности экосистем обычно вводят понятие резистентной устойчивости, которая определяется как способность системы сопротивляться внешним нагрузкам и оставаться при этом устойчивой. При благоприятных условиях внешней среды экосистемы обычно повышают свою сопротивляемость усложнением внутренней структуры.

Таким образом, тесная связь и взаимодействие между живыми организмами и окружающей средой представляют собой характерную особенность всех экосистем. Наиболее важными и по существу решающими являются энергетические связи.

3.4 Энергетическая характеристика экосистем

Солнце посылает к планете Земля поток энергии, превышающий 20 млн Эдж/год (Эксаджоуль равен 1018 Дж). Из-за шарообразности Земли к границе всей атмосферы подходит только 1/4 часть этого потока. Из неё почти 70% отражается, поглощается атмосферой, излучается в виде длинноволнового инфракрасного излучения. Остальное -это падающая на поверхность Земли солнечная радиация - 1,54 млн Эдж/год. 1,3% этой энергии поглощается и включается в метаболизм растений, поддерживая существование биосферы. 11,5% поглощённой энергии растениями аккумулируется в химических связях органических соединений, созданных фотосинтезом. Это энергия первичной продукции биосферы (2300 Эдж/год). Она вырабатывается множеством растительных форм в различных частях суши и океана, передаётся затем по пищевым цепям, реализуется во всех проявлениях жизни и постепенно полностью рассеивается в виде теплоты. Однако закон сохранения энергии, применим к экосистемам, ибо никогда не наблюдались случаи создания энергии из ничего. Энергия может лишь превращаться из одной формы в другую, но она никогда и никуда не исчезает.

Второй закон термодинамики, сформулированный с помощью понятия энтропии, в экологии предпочитают выражать посредством утверждения о преобразовании концентрированной энергии в рассеянную. Процесс концентрации рассеянной солнечной энергии происходит, как говорилось выше, в различных живых системах и охватывает длительный промежуток времени. Полученная концентрированная энергия может быть в дальнейшем использована в экосистемах в виде пищи (например, валовая энергия пищи населения Земли -25 Эдж/год), а в технике - как ископаемое топливо (уголь, нефть, газ и др.)

Какую энергию можно считать концентрированной?

С экологической точки зрения, энергия по способу своего получения будет тем больше концентрированной, чем дальше стоит источник её получения. Например, пища, от начала превращения рассеянной солнечной энергии, т.е. от автотрофных организмов, а именно зелёных растений и микроорганизмов.

В физических терминах концентрированную энергию можно определить как обладающую низкой степенью энтропии, т.е. характеризующуюся меньшей степенью беспорядка. Ведь в результате концентрации энергии происходит выведение беспорядка из системы во внешнюю среду. Поэтому если беспорядок в системе уменьшается, то во внешней среде он увеличивается.

В отличие от концентрации рассеяние энергии сопровождается возрастанием беспорядка в системе. Поэтому, если система остаётся закрытой, то она окажется полностью дезорганизованной, т.е. придёт в состояние максимального беспорядка, соответствующего установлению теплового равновесия.

Таким образом, с энергетической точки зрения системы могут описываться не только количественно, но и качественно, причём высококачественные формы энергии обладают более высоким рабочим потенциалом, т.е. возможностью произвести соответствующую работу. Так, например, ископаемое топливо обладает большим рабочим потенциалом, чем рассеянная солнечная энергия. Аналогично этому животная пища является более качественной, чем растительная.

Отсюда следует, что при энергетическом подходе задача экологии по сути сводится к изучению связи между рассеянным солнечным излучением и экосистемами, а также процессами последовательного превращения менее концентрированных форм энергии в более концентрированные.

Классифицируя экосистемы с точки зрения применения их энергии в интересах развития общества и, прежде всего, его производительных сил, можно выделить четыре фундаментальных типа:

1. Природные системы, полностью зависящие от энергии солнечного излучения, которые можно назвать системами, движимыми Солнцем. Такие природные системы занимают огромную площадь на земной поверхности. Ведь только одни океаны покрывают 70% этой поверхности.

2. Природные системы, движимые Солнцем, а также получающие энергию от других природных источников, к которым относятся прибрежные участки морей, океанов, большие озёра, тропические леса и др. Кроме солнечной энергии, такие системы функционируют и растут за счёт энергии, например, морских прибоев, приливов, глубоководных течений, рек, дождей и т.д.

3. Природные системы, движимые Солнцем и получающие энергию от ископаемого топлива (нефть, уголь, древесина и др.).Исторически такие смешанные естественные и искусственные экосистемы впервые получили распространение в сельском хозяйстве, где стала внедряться энергия машин, работающих на ископаемом топливе.

4.Современные индустриально-городские системы, использующие главным образом энергию ископаемых горючих, преимущественно нефти, угля, газа, а также радиоактивных веществ для получения атомной энергии. Энергетическая зависимость индустриальных центров от Солнца минимальна, т.к. энергоносители они получают от добывающей промышленности, а продукты питания – от сельского хозяйства.

Интенсивный рост промышленности в развитых странах сопровождается всё возрастающим потреблением энергии и одновременно всё увеличивающимися отходами производства. Загрязнение атмосферного воздуха, отравление водных источников, накопление радиоактивных отходов - неизбежные спутники жизни в крупных индустриальных центрах.

В этой связи заслуживает особого внимания инициатива учёных и общественных деятелей, объединившихся в рамках Римского клуба. В докладе «Пределы роста», представленного в 1972 г. американскими учёными Деннисом и Донеллой Медоузами, было показано, что если потребление ресурсов и промышленный рост вместе с увеличением численности населения будут продолжаться прежними темпами, то будет достигнут “предел роста”, за которым неизбежно последует катастрофа. Деятельность Римского клуба привлекла внимание широкой общественности к актуальным проблемам, в частности, к такой проблеме, как сохранение окружающей среды.

4. Глобальные экологические проблемы и пути их решения

Сегодня экологическую ситуацию в мире можно охарактеризовать как близкую к критической. Среди глобальных экологических проблем следует отметить следующие:

1. уничтожены и продолжают уничтожаться тысячи видов растений и животных;

2. в значительной мере истреблен лесной покров;

3. стремительно сокращается имеющийся запас полезных ископаемых;

4. мировой океан не только истощается в результате уничтожения живых организмов, но и перестает быть регулятором природных процессов;

5. атмосфера во многих местах загрязнена до предельно допустимых размеров, а чистый воздух становится дефицитом;

6. частично нарушен озоновый слой, защищающий от губительного для всего живого космического излучения;

7. загрязнение поверхности и обезображивание природных ландшафтов: на Земле невозможно обнаружить ни одного квадратного метра поверхности, где бы не находилось искусственно созданных человеком элементов.

Уже стала совершенно очевидна пагубность потребительского отношения человека к природе лишь как к объекту получения определенных богатств и благ. Для человечества становится жизненно необходимым изменение самой философии отношения к природе.

Какие же необходимы меры для решения глобальных экологических проблем?

1. Прежде всего, следует перейти от потребительско-технократического подхода к природе к поиску гармонии с нею. Для этого, в частности, необходим целый ряд целенаправленных мер по экологизации производства: природосберегающие технологии, обязательная экологическая экспертиза новых проектов, создание безотходных технологий замкнутого цикла.

2. Другой мерой, направленной на улучшение взаимоотношений человека и природы, является разумное самоограничение в расходовании природных ресурсов, особенно — энергетических источников (нефть, уголь), имеющих для жизни человечества важнейшее значение. Подсчеты международных экспертов показывают, что если исходить из современного уровня потребления (конец XX в.), то запасов угля хватит еще на 430 лет, нефти — на 35 лет, природного газа — на 50 лет. Срок, особенно по запасам нефти, не такой уж и большой. В связи с этим необходимы разумные структурные изменения в мировом энергобалансе в сторону расширения применения атомной энергии, а также поиск новых, эффективных, безопасных и максимально безвредных для природы источников энергии, включая космическую.

Однако ощутимый эффект все перечисленные и другие меры могут дать лишь при условии объединения усилий всех стран для спасения природы. Первая попытка такого международного объединения была осуществлена еще в начале XX века. Тогда в ноябре 1913 г. в Швейцарии состоялось первое международное совещание по вопросам охраны природы с участием представителей 18 крупнейших государств мира.

Ныне межгосударственные формы сотрудничества выходят на качественно новый уровень. Заключаются международные конвенции по охране окружающей среды (квоты по вылову рыб, запрет на промысел китов и др.), осуществляются самые различные совместные разработки и программы. Активизировалась деятельность общественных организаций по защите окружающей среды — «зеленые» («Гринпис»). Экологический интернационал Зеленого Креста и Зеленого Полумесяца в настоящее время разрабатывает программу по решению проблемы «озоновых дыр» в атмосфере Земли. Однако следует признать, что при весьма различном уровне социально-политического развития государств мира, международное сотрудничество в экологической сфере еще весьма далеко от своего совершенства.

Характеристики

Список файлов реферата