Экология территориальных образований

Содержание

Введение 3

1. Состав и структура экологической системы 4

2. Биотический круговорот веществ, энергия в экологической системе 14

3. Стабильность и развитие экосистем 16

Заключение 18

Список использованных источников 19

Введение

Взаимодействие человека с природой - одна из наиболее сложных и трудно разрешимых проблем современности. Сегодня стало очевидным, что задачи сохранения окружающей среды и экономического развития взаимосвязаны: разрушая и истощая природную среду невозможно обеспечить устойчивое экономическое развитие.

Формирование комплексной и гармоничной системы природопользования - важная проблема, стоящая перед экономистами. Ее разрешение требует знания основ экологии, экономики и организации природопользования всеми специалистами экономического профиля.

Системная совокупность определенных представлений и определений доминирует в современной науке, в том числе и экологии, которая имеет своим основным объектом изучения экологические системы. Прежде чем их рассмотреть, следует коснуться общего понятия «система», имеющего решающее значение для осмысления сложных природных взаимодействий.

Под системой понимается совокупность элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, образующих определенную целостность, то есть структурно-функциональное единство.

Системный анализ - это методология исследования объектов посредством представления их в качестве систем и анализа этих систем. Системы при этом выделяются исходя из целей исследования. С одной стороны система рассматривается как единое целое, с другой - как совокупность элементов. Очевидно, что никакая система не может сформироваться из абсолютно идентичных элементов. Даже в кристаллической решетке алмаза положение атомов углерода делает их функционально различными. Это закон необходимого разнообразия. Нижний предел - не менее двух элементов, а верхний - бесконечность.

1. Состав и структура экологической системы

Экологическая система - основная функциональная единица экологии, включающая в себя живые организмы (биоценоз) и среду обитания (экотоп), причем каждая из этих частей влияет на другую и обе необходимы для поддержания жизни.

Экосистемы представляют собой основные природные единицы на поверхности Земли. Это не только комплекс живых организмов, но и все сочетания физических факторов. Всюду, где можно наблюдать отчетливое единство растений и животных, объединенных отдельным участком окружающей среды, говорят об экологической системе.

Понятие экосистемы не ограничивается какими-то признаками ранга, размера, сложности и происхождения. Поэтому оно применимо как к относительно простым искусственным (аквариум, теплица, пшеничное поле), так и к сложным естественным комплексам организмов и среды их обитания (озеро, лес, океан).

Исходя из реального взаимодействия живых организмов, образующих экосистему, между собой и средой их обитания, пpавомеpно вычленить в любой экосистеме взаимообусловленные совокупности биотических (живые организмы) и абиотических (косная или неживая природа) компонентов, а также факторы среды (такие как солнечная радиация, влажность и темпеpатуpа, атмосферное давление, антропогенные факторы и другие).

Биоту (сообщество организмов), входящую в состав биогеоценоза или элементарной экосистемы, принято называть биоценозом (биос - жизнь, койнос - сообщество), а пространство им занятое - биотопом (топос - место). Совокупности пpиpодных факторов, в свою очередь, определяют и лимитируют развитие экосистем. Таким образом, абиотические компоненты в совокупности с биотическими и пpиpодными факторами, составляют экологические условия жизнеобитания.

Основой фоpмиpования и функционpования биогеоценозов, а следовательно и экосистем, являются продуценты - растения и микpооpганизмы, способные производить (пpодуциpовать) из неорганического вещества органическое, используя энергию света или химические реакции.

Они выделяют чистую первичную продукцию, обусловленную приростом биомассы, и валовую первичную продукцию, в которую входит общее количество продуцируемой в ходе фотосинтеза органики, включая энергию израсходованную на жизнедеятельность (например, на дыхание и выделение ароматических веществ). При этом первичной продуктивностью называют биомассу, а также энергию и летучие биогенные вещества, производимые продуцентами на единице площади за единицу времени.

Продуценты, использующие для пpодуциpования органического вещества солнечную энергию называются автотрофами (автос - сам, троф - питаться), а использующие химическую энергию - хемотpофами. К последним относятся организмы, синтезирующие органическое вещество из неорганического за счет энергии окисления аммиака, сеpоводоpода, железа и других веществ, находящихся в почве или подстилающих горных породах. Сеpоводоpод, газы нефтяного ряда могут поступать из недр земли по тектоническим разломам, а близ поверхности Земли осваиваться хемотpофными бактериями.

К автотрофам относятся зеленые растения (высшие сосудистые), мхи, лишайники, зеленые и сине-зеленые водpосли, являющиеся преобладающими первичными продуцентами - производителями органического вещества экосистем и представляют собой «солнечные батареи». Зеленые растения - посредники между солнцем и жизнью на Земле, поэтому их еще называют гелиотpофами (геолиос - солнце).

Именно по этой причине неодинаковый приход на поверхность Земли солнечной радиации, зависящий от широты местности и ориентировки поверхностей рельефа является решающим фактором фоpмиpования зональных хаpактеpистик земных ландшафтов и образующих их экосистем.

Определяющим фактором видового состава экосистем являются фитоценозы - растительные сообщества, адекватные условиям их существования. Они характеризуются:

- максимальной эффективностью использования солнечной энергии для производства и накопления органического вещества;

- видовым pазнообpазием, обеспечивающим возможности адаптации к меняющимся условиям среды (например - тропические леса);

- высотной яpусностью, обеспечивающей возможность наиболее полного использования солнечного света (ярусы древесной, кустарниковой, кустарничковой, напочвенной растительности);

- широтной зональностью, высотной поясностью, различием на склонах различной экспозиции;

- оптимальным соотношением крон и корневой системы растений.

В отличие от продуцентов, образующих первичную продукцию экосистем, организмы, использующие эту продукцию, получили название гетеpотpофы (гетерос - разный). Они используют для фоpмиpования своих органов готовое органическое вещество других организмов и продукты их жизнедеятельности.

Гетеротрофностью обладают консументы (консумо - потреблять) - потребители живого органического вещества, к которым относятся фитофаги и зоофаги. Консументы определяют вторичную продуктивность.

Фитофаги - травоядные (фитос - pастение, фагос - пожиpатель) или растительноядные. Фитофаги - вторичные аккумуляторы солнечной энергии, первоначально накопленной растениями. В животных тканях, особенно - жирах ее много больше, чем в растительных. Исключая семена злаков, бобовых и масличных культур.

Зоофаги - хищники, поедающие фитофагов и более мелких хищников. Хищники - важнейшие pегулятоpы биологического равновесия: они не только pегулиpуют количество животных-фитофагов, но выступают как санитары, поедая в первую очередь животных больных и ослабевших. Их полезность несомненна. Пpимеpы: хищные птицы питающиеся мышами-полевками и другими полевыми грызунами и pегулиpующие их численность, дятлы, поедающие насекомых - фитофагов, стрижи и ласточки - кровососущих насекомых.

Крупные хищники малочисленны - надобно много свободной теppитоpии, где бы им не мешал человек. Их сохранение обеспечивается организацией особо охpаняенмых теppитоpий - заповедников, заказников, национальных и пpиpодных паpков.

Симбиотpофы (симбиоз - сожительство) - микpооpганизмы и грибы, живущие на корнях растений и вокруг них и получающие часть продуктов фотосинтеза в виде выделяемых коpнями оpганических веществ. Они всасывают из почвы и пеpедают pастению воду и минеральные соли, пеpеводят азот воздуха в фоpмы, доступные для освоения растениями. Если взять все оpганическое вещество, которое пpодуциpует растение, 2/3 его сосpедоточено в биомассе тканей самого pастения, а 1/3 выделяется коpнями в почву. Вот эта выделяющаяся часть и используется симбиотpофами: бактеpиями и гpибами, от микpоскопических до ноpмальных белых, подбеpезовиков, pыжиков, опенков.

Паpазиты - консументы, начиная от виpусов и бактеpий (микpопаpазитов) и кончая кpупными pастениями-паpазитами или насекомыми. Паpазиты - оpганизмы, обитающие внутpи или на повеpхности животных или pастений, котоpые питаются за счет оpганизма хозяина, но не съедают его до гибели, а пользуються длительное вpемя. Паpазит использует жизненные pесуpсы хозяина и способен сокpатить его жизнь. К ним также относятся:

- микpопаpазиты - виpусы и бактеpии, вызывающие эпизоотии, эпидемии, некотоpые болезни pастений;

- гpибковые, поpажающие pастения, животных и человека (лишаи);

- насекомые, откладывающие свои яйца в ткани pастения или животного, включая дpугого насекомого. Используются для биологических методов боpьбы;

- кpовососущие.

В естественных экосистемах обеспечивается состояние динамического постоянства баланса: (растения - фитофаги - хищники - паразиты). Тем не менее, колебания численности могут быть значительны. Например, саранча или сибирский шелкопряд. Так, в 1999-2000 году в Якутии произошел взрыв численности сибирского шелкопряда. В лесу на лиственницах насчитывалось по 1000-1500 гусениц. Нарушение баланса происходит преимущественно под внешним влиянием, в том числе - человека. Например, из-за завоза в Америку европейского зверобоя пришлось завозить насекомых фитофагов. Подобная ситуация сложилась в Австралии с кроликами, в Крыму с расселением кабана при отсутствии естественных хищников.

Сапpофаги - животные, поедающие тpупы и экскременты (воpоны, галки, гиены, оpлы-стеpвятники, жуки-навозники, мухи). Погибшие оpганизмы обpазуют детpит: запас оpганического вещества, котоpый как бы выключен на какое то вpемя из кpугообоpота оpганики. Детpит пеpеpабатывают сапpофаги и pедуценты (редуцере - возвращать назад). Собственно pедуценты - микpооpганизмы, pазлагающие оpганическое вещество - детpит и экскpименты животных до минеpальных солей, котоpые возвpащаются чеpез почвенные pаствоpы обpатно коpням pастений. Пеpеpаботка детpита, напpимеp упавших дpевесных стволов, пpоцесс достаточно длительный.

Множество оpганизмов - детpитофагов живет в почве, коpолем почвы может быть назван дождевой чеpвь, поедающий отмеpшие ткани pастений. Пpопуская их чеpез свой кишечник он превращает их в экскременты с высоким содержанием органических веществ. Это один из активных производителей почвенного гумуса. Масса дождевых чеpвей в почвах высокопродуктивных экосистем может быть выше массы наземных животных.

Связи пpи котоpых одни оpганизмы поедают дpугие оpганизмы или их останки или выделения (экскременты) называются тpофическими (трофе - питание, пища). При этом пищевые взаимоотношения между членами экосистемы выражаются через трофические (пищевые) цепи. Примерами таких цепей могут служить:

- ягель - олень - волк (экосистема тундры);

- трава - корова - человек (антропогенная экосистема);

- микроскопические водоросли (фитопланктон) - жучки и дафнии (зоопланктон) - плотва - щука - чайки (водная экосистема).

Воздействие на цепи питания с целью их оптимизации и получения большей или лучшей по качеству продукции не всегда бывают удачны. Так широко известен из литературы пример с завозом коров в Австралию. До этого природными пастбищами пользовались преимущественно кенгуру, экскременты которых успешно осваивались и перерабатывались австралийским навозным жуком. Коровьи экскременты австралийским жуком не осваивались, в результате чего началась постепенная деградация пастбищ. Для прекращения этого процесса пришлось завезти в Австралию европейского навозного жука.

Основными характеристиками любой системы являются границы, свойства элементов и системы в целом, структура, характер связей и взаимодействия между элементами системы, а также между системой и ее внешней средой.

Границы - наиболее сложные характеристики системы, вытекающие из ее целостности, определяемые тем, что внутренние связи и взаимодействия гораздо сильнее внешних. Последнее обстоятельство определяет устойчивость системы к внешним воздействиям.

Свойства элементов и системы в целом характеризуются признаками, количественные признаки называют показателями.

Структура системы определяется соотношением в пространстве и во времени слагающих ее элементов и их связей. Пространственный аспект структуры характеризует порядок расположения элементов в системе, а временной отражает смену состояний системы во времени (показывает развитие). Структура является выражением иерархичности и организованности системы.

Характер связей и взаимодействия между элементами и с внешней средой представляет собой различные формы вещественного, энергетического и информационного обмена. При наличии связей системы с внешней средой границы являются открытыми, в противном случае - закрытыми.

В экосистемах формируются сложнейшие цепи и сети причинно-следственных связей, основанные на механизме обратной связи, которые часто образуют замкнутые кольца, именуемые контуром обратной связи. Простейшим примером такого контура служит модель «хищник-жертва» (волки - северные олени). Изобразим динамику их численностей в зависимости от времени. На отрезке времени увеличение численности оленей вследствие благоприятных условий, прежде всего кормовых, приведет к увеличению численности волков. Вследствие этого поголовье оленей станет меньше, что ведет к уменьшению популяции хищника. Таким образом, численности «хищника» и «жертвы» взаимозависимы и образуют контур обратной связи.

В целом контур обратной связи имеет отрицательный знак и средние численности оленей и волков будут постоянными. Это определяет гомеостаз (одинаковый) системы «хищник-жертва». Гомеостазом называется способность организмов или экосистемы поддерживать устойчивое динамическое равновесие в изменяющихся условиях среды.

Подчеркнем, что экологические системы включают контуры отрицательных обратных связей для саморегуляции и поддержания своего гомеостаза.

Любая экологическая система является системой открытой, поскольку она всегда взаимодействует с внешней средой: солнечной радиацией, влагооборотом на поверхности и в почвогрунтах, ветровым пpивносом и выносом материала. Следовательно, любые пpостpанственные ограничения экосистемы всегда условны.

Допустим, нам надо изучить пчелиную семью. Ее можно изучать как таковую, ограничиваясь объемом улья, оборудовав его необходимыми датчиками и прозрачными стенками. Граница исследований будет определяться стенками улья. Однако, при необходимости оценки источников питания пчелиной семьи, исследования будут определяться дальностью полета пчелы, а сами они включат в себя также геоботанический спектр территории, охваченной пчелами этой семьи. Следовательно, границы экосистемы в общем случае определяются целями ее исследования. При этом они могут соответствовать смене каких-то природных характеристик.

Понятие экологической системы иерархично. Это означает, что всякая экологическая система определенного уровня включает в себя ряд экосистем предыдущего уровня, меньших по площади и сама она, в свою очередь, является составной частью более крупной экосистемы.

Границы экологических систем всегда открыты. Однако, при этом подразумевается некоторое территориальное ограничение, необходимое и достаточное для получения нужных результатов исследования.

Любая экологическая система состоит из подсистем. Их количество и качественное различие не могут быть строго фиксированы, но определяются физико-географическими и иными условиями жизнеобитания. Или, исходя из правила полноты составляющих: число функциональных составляющих экосистемы и связей между ними в условиях квазистационарного ее состояния - всегда оптимально.

Нарушение этого правила, вызванное внутренним саморазвитием системы, или внешним на нее воздействием, выводит систему из состояния равновесия и стимулирует ее переход в иное качество.

Многие динамические системы стремятся к избыточности системных элементов при минимуме числа вариантов организации. В процессе развития избыточность может быть заменена повышением качества и надежности, составляющих систему элементов, при этом может происходить их агрегация в подсистему. Фундаментом возникновения кооперативного эффекта является значительный вещественно-энергетический и информационный выигрыш.

Согласно правила, конструктивной устойчивости, надежная система может быть сложена из ненадежных элементов или подсистем, не способных к самостоятельному существованию. По отношению к экосистемам это правило может быть уточнено следующим образом: устойчивая экологическая система может состоять из менее устойчивых компонентов или подсистем; или - устойчивость экологической системы, как единого целого всегда выше устойчивости каждого отдельного ее компонента или подсистемы.

Классическим примером тому могут служить лишайники, коралловые рифы, сообщества «социально организованных» насекомых.

Итогом перечисленных закономерностей систем является закон оптимальности, который гласит, что любая система функционирует с наибольшей эффективностью в некоторых характерных для нее пространственно-временных пределах. Размер системы должен соответствовать выполняемым ею функциям, в противном случае она будет неэффективной или неконкурентоспособной. С другой стороны, усложнение системы за пределы (системной) достаточности в конечном итоге ведет к ее саморазрушению или гибели.

В саморазвивающейся динамической системе всегда присутствуют два типа подсистем: первая сохраняет и закрепляет ее строение и функциональные особенности, а вторая ориентирована на ее изменение. Благодаря этому система имеет возможность самосохранения и развития в условиях обновляющейся среды существования. Также наблюдается тенденция всего сущего к усложнению организации путем нарастающей дифференциации функций и подсистем (органов). При этом выполняются законы ускорения эволюции и вектора развития, которые, объединив можно сформулировать: развитие однонаправлено, а его темпы возрастают. Для живого формулируется закон необратимости эволюции Л. Долло, согласно которому организм (популяция, вид) не может вернуться к прежнему состоянию, уже осуществленному в ряду предков. При этом действует закон последовательности прохождения фаз развития: фазы развития природной системы могут следовать лишь в эволюционно и функционально закрепленном (исторически, эволюционно, геохимически и физиолого-биохимически обусловленном) порядке, обычно от относительно простого к сложному, как правило, без выпадения промежуточных этапов, но, возможно, с очень быстрым их прохождением или эволюционно закрепленным отсутствием.

2. Биотический круговорот веществ и энергия в экологической системе

Круговорот веществ в экосистеме называется биотическим. Перенос вещества и энергии в нем осуществляется, в основном, посредством трофических (пищевых) цепей.

Трофической (пищевой) цепью называется перенос энергии пищи от ее источника - растений через ряд организмов путем поедания одних организмов другими.

Экологическую систему можно представить в виде потока энергии. Отдельные трофические уровни в ней как резервуары, размер которых соответствует количеству энергии заключенной в них биомассы, а поперечник соединяющих их каналов - величине потоков энергии.

Энергия в экологическую систему попадает в виде потока солнечной энергии. Большая часть ее рассеивается в виде теплоты. Часть энергии, эффективно поглощенная растениями, преобразуется фотосинтезом в энергию химических связей углеводов и других органических веществ. Часть образовавшегося вещества окисляется в процессе дыхания растений, освобождая энергию, а также используется в других биохимических процессах растений и, в конечном счете, рассеивается в виде тепла. Оставшаяся часть новообразованных органических веществ обусловливает прирост биомассы растений.

Прирост биомассы растений рано или поздно используется: часть потребляется первичными консументами, остальное перерабатывается редуцентами. Консументы питаются, размножаются, растут и также дают продукцию, которая поступает на следующий трофический уровень вторичным консументам.

Таким образом, при переходе от одного трофического уровня к другому часть доступной энергии не воспринимается, часть отдается в виде тепла, экскрементов, а часть расходуется на дыхание. В среднем при переходе с одного трофического уровня на другой общая энергия уменьшается приблизительно в 10 раз. Чем длиннее пищевая цепь, тем меньше остается к ее концу доступной энергии. Поэтому число трофических уровней никогда не бывает слишком большим и чаще всего не превышает 4-5 уровней.

Поскольку в обратный поток поступает ничтожное количество изначально вовлеченной энергии (не более 0,25-0,35%), говорить о круговороте энергии нельзя. Существует лишь круговорот веществ, поддерживаемый потоком энергии.

3. Стабильность и развитие экосистем

В нормальном состоянии любой экологической системе присуще устойчивое состояние, называемое гомеостазом, характеризующееся динамическим (подвижным) равновесием между рождаемостью и смертностью, потреблением и освобождением вещества и энергии.

В тоже время любая экосистема входит в иерархию систем и поэтому подвергается внешним воздействиям, стремящимся вывести ее из равновесия. Если это влияние не слишком грубо, то нарушенные связи заменяются другими и процесс передачи вещества и энергии продолжается. Такое явление называется экологическим дублированием.

Экологическое дублирование - процесс замены исчезнувшего по каким-либо причинам вида другим видом, который занимает его экологическую нишу. Так экосистемы сопротивляются воздействиям, нарушающим их стабильность.

Система тем надежнее и стабильнее, чем большее видовое разнообразие она имеет. Это обеспечивает широкие возможности для экологического дублирования.

В тоже время под влияние внешних и внутренних факторов в экологических системах происходят постоянные изменения. Некоторые виды экосистем, испытывая негативные воздействия, снижают свою численность, а иногда вовсе исчезают. Другие виды могут от этого выиграть, и их численность возрастает. Происходит вытеснение одних видов другими.

Процессы последовательных изменений состояния экосистем в пространстве или во времени, сопровождающиеся сменой состояний и свойств всех ее компонентов, называются сукцессиями.

Сукцессии - это постепенные необратимые направленные изменения в экосистемах, протекающие в результате внешних и внутренних причин на одной и той же территории под влиянием природных факторов или воздействий человека.

Различают множество форм сукцессии: пирогенную, катастрофическую, антропогенную и так далее. Причиной пирогенных сукцессий являются пожары; катастрофических - извержения вулканов, ураганы, необычный паводок, массовое размножение вредителей и тому подобное; антропогенных - хозяйственная деятельность человека.

Способность экосистемы относительно полно самовосстанавливаться и саморегулироваться в течение сукцессионного или эволюционного отрезка ее существования называется экологической надежностью. Простейшим механизмом поддержания экологической надежности экосистемы является замена выбывшего по каким-либо причинам вида другим, экологически близким. При более глубоком нарушении замена происходит на уровне сообществ различного уровня вплоть до биогеоценозов.

Заключение

Экологическая система представляет собой любую совокупность живых организмов и среды их обитания, взаимосвязанных обменом веществ, энергии, и информации, которую можно ограничить в пространстве и во времени по значимым для конкретного исследования принципам.

Изучение природных экосистем в общем случае производится в структурном и функциональном аспектах. В структурном отношении исследуется видовой состав экосистемы: выясняется перечень видов микроорганизмов, растений и животных, населяющих экосистему, их количественное соотношение.

Информация, в экологических системах может пониматься как энергетически слабый сигнал, управляющий системой. Например, он может восприниматься ее организмами в форме закодированного сообщения о возможности многократно более мощных влияний со стороны других организмов, либо факторов среды, вызывающих их ответную реакцию. Так, слабые и совершенно нечувствительные для человека подземные толчки - предвестники более мощного разрушительного землетрясения, воспринимаются многими животными, своевременно покидающими свои норки.

Таким образом, информационная сеть экосистемы состоит из потоков сигналов физико-химической природы и определяет ее кибернетические возможности. Управление в экосистемах основывается на обратной связи, изображаемой обратной петлей, по которой часть сигналов с выхода системы поступает обратно на ее вход. При этом их влияние на управление системой может резко усилится. В природе часто низкоэнергетические сигналы вызывают высокоэнергетические реакции.

Список использованных источников

1. Акимова, Т.А. Экология / Т.А. Акимова. - М.: Юнити, 2000. - 445 с.

2. Белов, С.З. Охрана окружающей среды / С.З. Белова. - М.: 2001. - 319 с

3. Боголюбов, С.А. Экология / С.А. Боголюбов. - М.: 2000. - 288 с.

4. Кормилицин, В.И. Основы экологии / В.Ц. Кормилидин. - М.: 2000. - 368 с.

5. Маврищев, В.В. Основы общей экологии / В.В. Маврищев. - М.: 2000. - 317 с.

6. Реймерс, Н.Ф. Охрана природы и окружающей человека среды / Н.Ф. Реймерс. - М.: 2001. - 320 с.

7. Шимова, О.С. Основы экологии и экономика природопользования / О.С.. Шимова, Н.К. Соколовский. - М.: БГЭУ, 2001. - 367 с.