Экология, проблемы и решения на предприятиях связи (стр. 2 )

В настоящее время можно считать доказанным отсутствие жизни на Марсе и Венере (Вернадский предполагал, что там возможна жизнь) и результаты исследований показывают, что земная жизнь не привнесена на Землю с ближайших планет. Далее, получены и хорошо изучены природные органические вещества абиогенного происхождения. Описаны опыты по получению аминокислот из водорода, аммиака и метана в бескислородной среде под действием электрических разрядов и ультрафиолетового облучения. Такие соединения были обнаружены в грозовых тучах после разряда молний и в стерильно отобранных образцах горячих вулканических пеплов. При этом в одинаковых по химическому составу органического вещества биогенного и абиогенного происхождения наблюдается дисимметрия, т. е. имеет место стирание граней между живым веществом и его абиогенным аналогом. Поэтому ученые в XX в., не допуская занесения жизни на Землю с других планет, признали возможность абиогенеза на Земле. Вероятно, абиогенез мог происходить в условиях, отличных от нормальных, при первичной бескислородной атмосфере. И сейчас проблема сводится к выяснению времени превращения абиогенных органических соединений в биогенные и к выяснению причин появления резко десимметричной структуры ДНК в живом веществе. Возможно, что нарушение зеркальной симметрии — необходимый этап эволюции живого вещества.

В настоящее время подтверждаются идеи и о возможном космическом происхождении живого вещества, так как при исследовании Антарктиды обнаружены метеориты, в которых выявлены различные аминокислоты (нуклеотиды не могут образоваться во льдах Антарктиды).

Эволюция “живого вещества” шла по пути усложнения структуры биологических сообществ, увеличения числа видов и совершенствования их приспособленности к окружающей среде. Усложнение жизни связано с развитием многоклеточных организмов и здесь на первое место выходит “колониальная гипотеза”. Считается, что образовавшиеся в результате деления клетки не расходились в пространстве, а образовывали колонии. Позже в колониях возникали различия в химическом составе, а затем, и в функциональной специализации. Многоклеточные организмы совершенствовались и приобретали различия в течение миллионов лет. Совершенствовался круговорот веществ в непрерывном обмене веществом и энергией между организмами и средой, в процессах рождения и смерти. Завладевая все новыми областями земной коры, организмы приспосабливались к новым физико-химическим условиям, что приводило к гибели части организмов и дальнейшему естественному отбору. Эволюционный процесс сопровождался повышением эффективности преобразования энергии и вещества организмами, популяциями и сообществами, В этой эволюции четко прослеживается постепенное развитие и усложнение нервной системы и “достигнутый уровень мозга не идет уже вспять — только вперед” (Вернадский). Вершиной эволюции “живого” на Земле явился Человек, ознаменовавший своим появлением новый этап развития жизни — антропогенез.

Генетический код. На Земле существует единый генетический код для всего живого, т. е. 4 нуклеотида и 21 аминокислота обеспечивают передачу наследственной памяти и “эффективную наследственность”.

Группа нуклеотидов-мономеров ДНК, кодирующая информацию об одном белке, получила название “ген”. Совокупность всей ДНК (всех генов) клетки образует генотип-геном и является наследственной основой клетки. Молекулы ДНК представляют собой двойную многократно скрученную спираль, находящуюся в ядре каждой клетки.

Все клетки высшего организма содержат набор генов, характерных для данного организма, растения и т. д. В молекулах ДНК записана вся информация, т. е. генетическая программа развития организма, и стоит только разорвать больше двух связей между спиралями ДНК (одна–две разорванные связи восстанавливаются), так сразу же начинается мутация организма, но такие последствия сказываются лишь во втором, третьем поколениях, т. е. в потомстве.

Генетический код одинаков у всех живых организмов, т. е. у животных и человека, бактерий и растений. Универсальность кода означает, что в течение почти 4 млрд лет существования жизни на Земле основа генетического механизма, управляющего воспроизводством всех систем оставалась неизменной, т. е. все время существовали клетки, которые решали две задачи: строить по заложенной программе, любую, необходимую белковую молекулу с заданными свойствами; создавать свои точные копии, так как клетка способна размножаться.

Эволюция животного и растительного миров. На ранних стадиях развития жизни выделяются микроорганизмы, которые, вероятно, не знали естественной смерти и существовали в немыслимых условиях. Их потомками являются сине-зеленые водоросли, обладающие высокой живучестью.

При дальнейшем развитии микроорганизмы стали обладать ядром с хромосомами — наследственным веществом, но эти организмы уже смертны и заплатили они эту цену за обретение кислородного дыхания.

Эволюция животного и растительного миров происходили неравномерно. Так, первые скелетные организмы появились 570 млн лет тому назад, затем появились панцирные и хрящевые (позвоночные) рыбы и 345 млн лет тому назад появились первые амфибии, одновременно с которыми появилась растительность.

395 млн лет тому назад возникает воздушное дыхание, переносчиком кислорода в организме является медь, но уже в семействах моллюсков, ракообразных появляются особи с кровью, содержащей гемоглобин, обеспечивающий снабжение тканей кислородом.

Переход от жаберного дыхания к воздушному активизировал деятельность цинкосодержащей органической молекулы, способствовавшей выделению углекислого газа из организма. Такая перестройка позволила эффективно использовать энергию и обеспечила способность живых организмов к быстрой эволюции и совершенствованию.

В результате выделилось по способу питания и механизму превращения энергии два надцарства: доядерное и ядерное. Доядерное надцарство включает царство дробянок, содержащее подцарства бактерий, архибактерий, сине-зеленые водоросли. Ядерное надцарство включает три царства: растения, грибы и животные.

Эволюция совершалась в результате изменения генетического состава популяции, т. е. в результате мутагенеза и естественного отбора. Мутагенез — причина изменения и развития биологических организмов. Земля — это часть Космоса, а поэтому, она подвергается постоянному и мощному его воздействию. Наиболее мощные и устойчивые изменения в глобальном масштабе повторяются через галактический год, т. е. примерно через 220 млн лет. Менее ярко выраженные аномалии в развитии мира повторяются с интервалом 30–32 млн лет в пределах галактического года. Такая периодичность может быть объяснена тем, что Солнечная система при своем движении вокруг центра Галактики встречается с газопылевыми облаками (сгустками материи), сближение с которыми вызывает возмущения в недрах Земли, и в результате на поверхность Земли поступают избыточные массы урана, фосфора, тяжелых металлов, обладающие эффектом активного биологического воздействия.

Один из первых русских советских генетиков -Ресовский считал, что причиной мутагенеза является изменение полярности магнитного поля Земли и снижение его напряженности; усиление образования радиоактивных изотопов под воздействием космических лучей; “газовый голод” в атмосфере за счет ее загрязнения выбросами магмы; “урановые эпохи” и др.

Природные катастрофические явления. По перечню ЮНЕСКО стихийные бедствия классифицируются по трем группам явлений:

гидрометеорологические процессы (тропические тайфуны, наводнения, смерчи, нагоны морской воды, вызывающие наводнения, снежные бури, засухи, пылевые бури, ливни, град, гололед, обледенения, ранние и поздние заморозки, лесные и степные стихийные пожары); гидрогеоморфологические явления (лавины, оползни, селевые потоки, овражная эрозия, карст); эндогенные процессы (землетрясения, вулканизм, цунами).

Космические явления. Кроме земных катастрофических явлений, большое значение имеют космические явления, следствием которых могут быть различные разрушительные катастрофы. К таким явлениям относятся столкновения небесных тел (астероидов) с планетой Земля. В результате таких столкновений на поверхности Земли возникают кратеры, асторблемы. Сейчас известно порядка сотни кратеров с диаметром от 1,2 до 70 км. К таким катастрофическим явлениям можно отнести и падение на поверхность Земли Тунгусского метеорита.

С падением метеоритов на Землю связывают образование кольцевых ударных геологических структур. Так, на территории России и СНГ находятся кольцевые Казахстанско-Ишимская и Прибалхашско-Илийская гиаблемы. Одной из крупнейших гиаблем является Верхоянско-Колымская.

23.03.89 астероид размером с современный авианосец пересек орбиту Земли в точке, которую Земля прошла примерно 6 ч назад. Это столкновение могло для Земли оказаться катастрофическим.

По инициативе Американского института аэронавтики и астронавтики (HAСA) и Центрального аэрогидродинамического института им. Жуковского (ЦАГИ, Москва) прошли международные семинары (1995–1996), посвященные системе защиты Земли от столкновений с астероидами. В результате сформирован международный инициативный комитет, состояний из ядерщиков, ракетчиков, астрономов с задачей разработки проекта защиты Земли от опасных космических объектов.

Контрольные вопросы

Предположения о происхождении Вселенной Некоторые данные о планете Земля. Геологическая история планеты Земля (палеоклимат, распределение тепла и влаги на поверхности Земли, формирование лика Земли) Биологическая эволюция. об эволюции биосферы. Генетический код. Эволюция животного и растительного миров. Природные катастрофические явления, их краткая характеристика. Космические явления.

Биоэкология

Биоэкология (в первоначальном толковании этого термина) изучает отношения организмов (особей, популяций) между собой и окружающей средой и включает экологию особей (аутэкологию), популяционную экологию (демэкологию) и экологию сообществ (синэкологию).

В настоящее время описано 500 тыс. видов насекомых и около 40 тыс. видов грибов.

На протяжении многих сотен тысяч лет человек оказывал негативное влияние на природу (1–2 тыс. лет тому назад были истреблены: мамонт, гигантский олень и шерстяной носорог). За последние 300 лет исчезли 36 видов млекопитающих, 94 вида птиц, а исчезновение беспозвоночных и растений плохо поддаются оценке и насчитываются тысячами.

Классификация органического мира. Первые организмы на Земле были гетеротрофами, использующими в качестве источников питания и энергии вещества, созданные другими организмами. Они быстро исчезли бы, если бы не появились автотрофы, которые синтезируют органические вещества, а гетеротрофы их потребляют. При этом происходит расщепление органических веществ, которые используются автотрофами и в результате возникает круговорот веществ и энергии между организмами, населяющими экосистему.

Растения синтезируют органические соединения, используя солнечную энергию и питательные вещества из почвы и воды. Эти соединения служат строительным материалом для образования тканей и источником энергии, необходимой для поддержания функций растений. Для высвобождения запасенной химической энергии гетеротрофы разлагают органические соединения на исходные неорганические компоненты: оксид углерода, воду, нитраты, фосфаты и др., завершая тем самым круговорот веществ в окружающей среде.

Взаимодействие организмов с внешней средой происходит путем обмена веществ и энергии: питание, дыхание, выделение экскрементов.

Следовательно, по способу питания все организмы подразделяются на автотрофы и гетеротрофы. К автотрофам относится большая часть растений, осуществляющих превращение неорганических веществ в органические (фотосинтез, хемосинтез). К гетеротрофам относятся животные и большая часть микроорганизмов, которые самостоятельно не синтезируют органические вещества и используют их в готовом виде.

Гетеротрофы по современной классификации делятся на три категории: некротрофы, убивающие объект питания; биотрофы, питающиеся за счет других организмов (паразиты, кровососы и др.); сапротрофы, питающиеся мертвой органикой. Человек, как биологический вид, принадлежит к числу некротрофов.

По механизму превращения неорганических веществ в органические автотрофы подразделяются на фототрофы, использующие фотосинтез, к которым относятся зеленые растения, сине-зеленые водоросли и др.; и хемотрофы, использующие хемосинтез, т. е. окисление аммиака и сернистого водорода, к которым относятся бактерии.

По способу питания и механизму превращения энергии все живые вещества подразделяются на:

доядерное “надцарство” — это дробянки: бактерии, архибактерии, цианеи (сине-зеленые водоросли); ядерное “надцарство” — это растения (низшие водоросли и высшие растения), грибы (миксомицеты-слизевики и высшие грибы) и животные (простейшие – одноклеточные и многоклеточные животные).

Такое деление основано на закономерностях эволюционного развития и клеточного строения организмов. Непрерывность эволюции говорит о том, что термодинамические условия на Земле достаточно устойчивы на протяжении 3,9 млрд лет и важнейшими факторами выступают наследственность, изменчивость, естественный отбор.

Большая часть организмов относится к аэробным, т. е. живущим в кислородной среде, и только некоторые микроорганизмы относятся к анаэробным, т. е. обитающим вне кислородной среды.

В биологической среде имеет место полный замкнутый цикл, включающий рождение → развитие →отмирание → утилизацию → рождение. Перенос энергии и вещества в биосфере осуществля6ется на основе пищевых-трофических цепей. Каждая цепь состоит из последовательного ряда организмов, каждый из которых является источником жизни для последующих.

По отношению к трофическим цепям (связям) организмы экосистемы подразделяются на продуценты, консументы и редуценты.

Продуценты (самопитающиеся) — производители первичной продукции, т. е. организмы-автотрофы (пурпурные бактерии и сине-зеленые водоросли, где основным процессом обмена является фотосинтез, и бактерии, где основным процессом обмена является хемосинтез). Продуценты обеспечивают органическим веществом все живое население Земли.

Консументы — организмы гетеротрофы, потребляющие органические вещества, созданные продуцентами (животные, большинство микроорганизмов и насекомоядные растения (частично)), вещества, созданные продуцентами (животные, большинство микроорганизмов и насекомоядные растения (частично)).

Редуценты — восстановители, деструкторы, т. е. организмы, разлагающие органические вещества и превращающие их в неорганические, усваимые другими организмами (бактерии, грибы, сапрофаги, некрофаги и др.). Редуценты являются завершающим звеном в биологическом круговороте веществ.

Итак, экосистема представляет собой любое непрерывно меняющееся единство, включающее все организмы на данном участке и взаимодействующее с окружающей средой таким образом, что поток энергии создает определенную трофическую структуру, видовое разнообразие и круговорот веществ внутри системы.

Следует отметить, что живой природе свойственно существование иерархии систематических единиц и основной таксономической категорией является вид — основная единица эволюции. Это целостная система, компонентами которой являются особи, популяции. Образуемые ими структуры вступают во взаимодействие, в результате которого проявляются новые качества, не присущие ни одному из компонентов. Центральное место в системе вида занимает популяция, так как эволюционирующей системой являются не отдельные организмы, а популяция.

Популяция — это совокупность организмов одного вида, находящихся в сходных условиях, т. е. занимающих определенные экологическую нишу и ареал.

Любое изменение свойств природной среды соответствует адаптированности особей. Генетические исследования показывают, что природные популяции обладают колоссальным запасом изменчивости.

Вид в среде, где он обитает, занимает определенное место, которое обусловлено его потребностями в пище, территории и связано с воспроизводством. Такое место называется экологической нишей.

Огромные поверхности, на которых флора, созданная несколькими доминирующими видами, в сочетании со специфической фауной называется биомом. В биомы включают леса, тундры, прерии, саванны, пустыни, горные леса — все это близко или совпадает с понятием ландшафтной провинции. Кроме того, в биомы включены и континентальные водные бассейны, где флора и фауна различаются в зависимости от географических районов. Океанические воды в это понятие не входят.

Синтетическая теория эволюции — основное достижение биологии ХХ в. Синтез генетики и классического дарвинизма и создание синтетической теории эволюции могут быть отнесены к числу основных достижений биологии XX в., которая характеризуется 10 постулатами.

1. Популяция — наименьшая эволюционизирующая единица;

2. Основной фактор эволюции — естественный отбор случайных и мелких мутаций;

3. У вида, популяции должен быть общий предок, т. е. эволюция носит дивергентный характер;

4. Каждая систематическая единица (вид, род, семейство) должна иметь единственный корень, т. е. классификация производится на родстве, а не на сходстве;

5. Эволюция носит постепенный и длительный характер;

6. Вид — генетическая, замкнутая система, а поэтому поток генов возможен только внутри вида;

7. Макроэволюция за пределами вида прекращается, т. е. имеет место путь микроэволюции;

8. Вид состоит из множества популяций;

9. Изменчивость носит случайный характер;

10. Эволюция непредсказуема.

Академик отмечал неслучайный характер изменчивости вида и возможность его канализированности, т. е. эволюция, начавшаяся случайно, далее канализируется, направляется и адаптируется к внешним условиям. Следовательно, происходит изменение вида.

(1942) введено понятие биогеоценоз, под которым понимается однородный участок земной поверхности с определенным составом живых (биоценоз) и косных (приземный слой атмосферы, солнечная энергия, почва и др.) компонентов и динамического взаимодействия между ними (обмен вещества и энергии).

Понятие биоценоз введено К. Мёбиусом (1877). Биоценоз — это сосуществование растений, животных и микроорганизмов, находящихся в разных отношениях: постоянное или временное сожительство, совместное сосуществование, симбиоз (постоянное или длительное сожительство организмов разных видов, приносящее им взаимную пользу), паразитизм.

Косная среда получила название биотоп, под которым понимают не только вещества, но и физико-химические факторы (температура, влажность, свет, химический состав и др.).

Совокупность биогеоценозов, находящихся в динамическом равновесии и связанных между собой геохимическими циклами, перемещением воды и растворов, флуктуациями климата и деятельностью человека, — это биота (-Ресовский).

Частью биотопа является почва (педосфера), являющаяся не основной, а производной составляющей биотопа, так как образовалась при взаимодействии литосферы, атмосферы, гидросферы и живого вещества. Почвы следует рассматривать как особое природное образование, обладающее уникальным свойством — плодородием.

Физико-химические факторы, действующие на живые организмы. Среди физико-химических факторов, действующих на живые организмы выделяют климатические факторы, почвенные факторы и факторы водной среды.

Климатические факторы представляют собой климат в регионе (макроклимат) и местный климат (мезоклимат). К основным климатическим факторам относятся температура, влажность и свет.

Температура. В общем случае любой вид способен существовать только в пределах определенного интервала температур. Клетки всех живых организмов способны жить с учетом свойств протоплазмы в узком интервале температур от 0 до +50 °С. Но некоторые организмы, обладающие специальными приспособлениями, могут выносить экстремальные температуры в течение длительного времени.

Влажность. На протяжении длительного времени развитие живой природы проходило в водной среде, поэтому влажность очень важна для живого вещества. Влажность — это количество водяного пара в воздухе, г/м3. На практике используют понятие относительной влажности воздуха, как процентное отношение реального давления водяного пара к давлению насыщенного пара при той же температуре и измеряется гигрометром или психрометром. Наиболее простым показателем измерения влажности является количество осадков, мм/см2, помесячно и в целом за год (например, в Центральной Европе в среднем за год выпадает 803 л/м2 за год. Это количество воды распределяется следующим образом: 111 мм испаряется с почвы и других поверхностей и 289 мм — растениями; 304 мм стекает в водоемы; 112 мм проникает в грунтовые воды.

Свет. По своему воздействию на живую материю свет уступает воздействию температуры и влажности, но он необходим живой природе, так как служит для нее источником энергии. Так, хлорофилоносные растения, если не считать некоторых бактерий, являются организмами, синтезирующими органические вещества из воды, минеральных солей и углекислого газа при помощи лучистой энергии. Все остальные живые вещества в своем питании прямо или косвенно зависят от этих растений.

Свет — это электромагнитные излучения, лежащие в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной частях света. Ультрафиолетовые лучи несут много энергии и обладают высоким фотохимическим действием. Хлорофилоносные растения сильнее всего поглощают лучи, лежащие в красной и сине-фиолетовой частях спектра. Остальные лучи отражаются от поверхности растений, придавая им зеленую окраску.

В водной среде поглощаются красные и синие лучи, поэтому в верхних слоях зеленые и бурые водоросли, а на глубине — красные водоросли, поглощающие зеленые лучи. Предельная глубина фотосинтеза 150 м.

Большое значение имеет интенсивность света, с которой связано развитие живых организмов. Наибольшее экологическое значение имеет смена дня и ночи, что способствует развитию свето - и темнолюбивых животных и растений.

К вторичным климатическим факторам относятся ветер, изменения атмосферного давления, ионизация окружающего воздуха перед грозой, высота над уровнем моря, определяющие режим проживания живых организмов.

Почвенные факторы — это совокупность физических и химических свойств почвы, способных оказывать экологическое воздействие на живые организмы.

К основным свойствам почвы относятся физическая структура (наклон, глубина, гранулометрия), ее химический состав и наличие циркулирующих веществ — газов (условия аэрации), воды, органических и минеральных веществ в форме ионов.

Важнейшей характеристикой является влажность почвы, которая зависит от физических и химических свойств почвы, частицы которой, в зависимости от их размеров, содержания органических веществ способны удерживать различное количество воды. Такая вода недоступна растениям, но она определяет их жизнь.

Наличие воды в почве зависит от режима дождей, уровня грунтовых вод и величины зоны аэрации.

Факторы водной среды. Физико-химические свойства воды важны для живых организмов, населяющих водную среду, но вода обладает рядом особенностей, имеющих значение для живых организмов. К таким особенностям относятся:

высокая теплоемкость воды, что оказывает глобальное влияние на климат Земли; образование поверхностного слоя, так как лед легче воды; вязкость воды изменяется с понижением температуры и максимальной плотности достигает при температуре +4 °C. С этим свойством связаны конвекционные движения и частые перемещения масс воды, что благоприятно для жизни; массы воды испытывают волновое движение, как и воздушный океан, иногда достигая почти равной с ним силы; в океанах наблюдаются приливы, отливы, течения, вызываемые космическими и климатическими факторами; вода считается пресной при содержании солей не более 0,5 г/л. Морская вода в среднем содержит 35 г/л растворенных солей.

Водные флора и фауна дышат растворенным в воде кислородом, но кислород мало растворим в пресной воде и еще меньше в соленой. Для пресной воды содержание кислорода — 10,2 см3/л при температуре 0°С и 5,5 см3/л при температуре +30 ° С, в морской воде соответственно 8,0 и 4,5 см3/л.

Углекислый газ хорошо растворим в воде и образует карбонаты, используемые организмами для построения раковин, панцирей. Особенно много углекислого газа содержится в океанических водах, которые играют огромную роль в круговороте СО2 в окружающей среде. Углекислый газ необходим планктону и водным растениям для их фотосинтеза.

Остальные газы, кроме азота, содержатся в воде в небольших количествах, а азот же биологической роли не играет. В водах богатых органическими веществами, в донных отложениях скапливается сероводород, обладающий токсическими свойствами. Значительную биологическую роль играют положительные ионы кальция Сa+2.

Вода считается жесткой, если содержание кальция составляет 25 мг/л и более, и мягкой, если кальция содержится 9 мг/л и менее.

Характерные черты живой и неживой природы. Живая природа характеризуется подвижным, изменчивым, краткоживущим и разнообразным миром.

Характерной чертой строения растений и их развития является спиральность (усики растений, рост тканей в стволах, спиральное движение при росте корней и т. д.).

Схема опорно-двигательного аппарата различных животных характеризуется 3-членным строением конечностей, которое возникло примерно 300 млн лет тому назад.

В живых организмах для построения скелета используются 4 минерала: апатит, кальций, арагонит, окись кремния. Установлено, что эти минералы образуют крохотные кристаллы, которые между собой не срастаются в монолит, так как покрыты органическими пленками, контролирующими рост этих кристаллов. Если эта пленка нарушается, то происходит срастание минералов и, как следствие, “окостенение” скелета.

Некоторые новые отрасли биоэкологии. В последнее время бурно развивается химическая или биохимическая экология. Исследования показывают, что в процессе своего роста и развития живой организм выделяет в окружающую среду химические вещества, которые обеспечивают регуляцию популяционных процессов.

Установлено, что животные выделяют специальные вещества-эндо-метаболиты, определяющие скорость роста и развития других особей. Эти вещества специфичны не только для разных видов, но и специфичны для различных популяций одного вида. В этом случае химический сигнал воспринимается генами одного сообщества как приказ, регламентирующий скорость размножения, рост, развитие. Так, при высокой численности животных данного вида, сдерживается скорость их размножения, т. е. сдерживается рост их численности. Химический фон, создаваемый популяциями данного вида, сдерживает развитие животных на ранних стадиях и ускоряет развитие “старших”, тормозит рост своего вида и ускоряет развитие “чужого” вида, способствующего развитию своего вида. Они действуют в ничтожных концентрациях.

Химическая сигнализация определяет не только численность, но и “качество” и генетическую структуру популяций. “Химический код” обладает высшей специфичностью действия внешнего обмена веществ организма — экзометаболизм, ничтожной продолжительностью “жизни”, так как теряет свою активность через несколько дней. Если “химический код” будет расшифрован, а аналоги метаболитов синтезированы, то открывается возможность управления численностью животных с учетом их хозяйственной необходимости.

Быстро развивающейся наукой является эталогия (наука о поведении животных). Каждому виду животных свойствен стереотип поведения, определяющий возможность жить и продолжать свой род. Он проявляется лишь во вполне определенной среде и не только в физическом, но и в психологическом отношении.

Контрольные вопросы

Биоэкология и ее составные части. Классификация органического мира. Трофические цепи и их составные части. Систематические единицы и основные таксономические категории, существующие в живой природе. Синтетическая теория эволюции — основное достижение биологии XX в. и ее постулаты. Понятие о биоценозе, биотопе, биогеоценозе. Физико-химические факторы, действующие на живые организмы и их роль в развитии живой материи. Характерные черты живой и неживой природы. Некоторые новые отрасли биоэкологии (биохимическая экология и эталогия).

Географическая экология

Географическая экология — это раздел экологии, основанный на приложении экологических закономерностей к географическим процессам при изучении закономерностей развития систем высоких иерархических уровней.

География — это система физико-химических (естественных) и экономико-географических наук, изучающих географическую оболочку Земли, природные и производственные географические комплексы и их компоненты.

Географическая оболочка — это среда взаимоотношения и взаимодействия земной коры, тропосферы, гидросферы и биосферы. В географической оболочке под воздействием космических и земных источников энергии происходят различные физико-химические процессы. В этой оболочке вещества представлены в трех агрегатных состояниях — жидком, газообразном и твердом, и только в этой оболочке формируется жизнь.

Циклы трансформации, переноса энергии и вещества в географической оболочке. Трансформация, перенос энергии и вещества в географической оболочке связаны с самостоятельными системами ее потоков и круговоротов, которые называются циклами. Выделяются радиационный (лучевой) , тепловой, гидросферный, биогеохимический и литосферный циклы.

Основными источниками трансформации энергии на Земле являются электромагнитные излучения Солнца и космоса, причем от Солнца к поверхности Земли идет 97% энергии, но из-за шарообразности Земли, только 25% солнечного излучения достигает внешней границы атмосферы.

От Солнца и космоса идут потоки заряженных частиц в виде плазмы (солнечная плазма представляет собой сгусток заряженных частиц). Суммарная мощность потоков заряженных частиц Солнца и космоса в несколько тысяч раз выше электромагнитного излучения Солнца и эти потоки захватываются магнитным полем Земли, возмущают магнитное поле Земли и процессы, происходящие в ионосфере (заряженный слой атмосферы), в результате вызывают перестройку поля атмосферного давления, изменяют погодные условия, ионизируют верхние слои атмосферы и оказывают сильнейшее воздействие на биологические процессы.

При рассмотрении радиационного цикла видно, что 14% радиационных излучений Солнца поглощается озоновым слоем Земли; 56% рассеивается в атмосфере водяным паром, пылью, облаками, причем 25% направляется к Земле, а 31% направляется в космос; 30% достигает поверхности Земли, и из них 4% отражается в космос от земной поверхности.

Примерно 96% излучений земной поверхности поглощается паром и углекислым газом атмосферы, что формирует парниковый эффект, приводящий к дополнительному нагреванию земной поверхности. В целом Земля теряет примерно столько же радиационной энергии, сколько и получает, т. е. Земля находится в состоянии постоянного радиационного или лучистого равновесия.

Тепловой баланс Земли может быть представлен выражением

R=LE+P± B+Ф+С,

где R — радиационный бюджет Земли; LE — теплота, затраченная на испарение; Р — вертикальный турбулентный поток; В — теплообмен с нижележащими слоями, т. е. с почвой, грунтом, водяными толщами; Ф, С — расходы энергии на фотосинтез, почвообразование и выветривание соответственно.

99% лучистой энергии из бюджета года расходуется на испарение и только 1% лучистой энергии расходуется на почвообразование и фотосинтез. В геологическом аспекте времени эта энергия конденсируется в виде угля, торфа, горючих сланцев, нефти, газа, почв и других органических веществ.

Средняя температура земной поверхности составляет примерно +15° С. Термический экватор смещается к географическому, так как южное полушарие теплее северного примерно на 2° С. Это можно объяснить влиянием Антарктиды, поверхность которой отражает примерно 60% лучистой энергии Солнца. Температура над океаном выше, чем над сушей.

На распределение температуры оказывают влияние океанические течения и атмосферные циркуляции. Океан имеет двухслойное тепловое расположение при средней температуре океанических вод +4° C: верхние слои, на глубине до 100 м нагреваются — это теплые слои и ниже 100 м — холодные. Цикл вертикальной циркуляции океанических вод составляет примерно 1800 лет. При ослаблении циркуляции происходит прогрев и температура в географической оболочке повышается. При усилении циркуляции температура в географической оболочке Земли снижается. Поток энергии в почву и океанические воды в среднем для всей Земной поверхности примерно равен нулю, так как полученное тепло летом компенсируется его расходом зимой.

Основными типами атмосферной циркуляции являются широтный и меридиональный и, несмотря на постоянные переносы воздуха, атмосфера сохраняет состояние, близкое к равновесному. Все переносы в атмосфере связаны между собой и образуют гигантский атмосферный круговорот, энергетическим источником которого являются солнечная радиация и вращение Земли.

Механическая энергия вращения Земли превращается в теплоту, которая преобразуется в длинноволновое излучение и направляется в Космос или к земной поверхности. Часть механической энергии передается океану при трении воздушных масс о водную поверхность.

Океанические и воздушные течения образуют единую систему, возникающую при их взаимодействии.

Гидросфера возникла при выделении воды из пород мантии Земли при гравитационной дифференции вещества на поверхность Земли. Скорость водообмена неодинакова и зависит от агрегатного состояния и характера водовмещающей среды.

Круговорот воды в природе является одним из важнейших процессов на Земле. Гидрологический цикл включает: испарение океана (456× 1012 т/г); атмосферные осадки над океаном (410× 1012 т/г); перенос влаги с моря на сушу (46× 1012 т/г); атмосферные осадки над сушей (102× 1012 т/г); суммарный сток (46× 1012 т/г); испарение влаги растениями — транспирация (62× 1012 т/г). Круговорот воды на суше в основном определяется транспирацией растений, так как они испаряют большую часть воды, выпавшей в виде осадков на сушу.

В результате обледенения и тектонических процессов (углубление дна океана) происходит изменение уровня Мирового Океана. В настоящее время увеличивается масса океанических вод.

Всю совокупность организмов на планете назвал живым веществом, рассматривая в качестве его основных характеристик суммарную массу, химический состав и энергию. Живое вещество является ведущим фактором в преобразовании Земли. На поверхности холодной планеты Земля возникла пленка жизни, которая ускоряет все процессы эволюции за счет способности поглощать и утилизировать энергию космоса, Солнца и трансформировать эту энергию в земное вещество.

По мнению В. И, Вернадского живое вещество обладает следующими специфическими свойствами:

живое вещество биосферы обладает огромной свободной энергией; резкое различие между живым и неживым веществом наблюдается в скорости протекания химических процессов (в живом веществе реакции идут быстрее); отличительной особенностью живого вещества является то, что слагающие его индивидуальные химические соединения — белки, ферменты и пр. устойчивы только в живых организмах; “произвольное движение, в значительной степени саморегулируемое, является общим признаком всякого живого естественного тела в биосфере”; живое вещество обнаруживает значительно большее морфологическое и химическое разнообразие, чем неживое. Известно свыше 2 млн органических соединений, входящих в состав живого вещества, а количество природных соединений — минералов неживого вещества составляет всего около 2 тыс., т. е. на 3 порядка меньше; живое вещество представлено в биосфере в виде дисперсных тел индивидуальных организмов, размеры которых колеблются в пределах от 20 нм у наиболее мелких вирусов до сотен метров (киты, секвойя).

Далее выделяет 9 функций живого вещества: