Биосфера, экосистемы: типы и составляющие

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

УФИМСКИЙ ИНСТИТУТ КОММЕРЦИИ И ПРАВА

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

Дисциплина "Экология"

Тема: Биосфера, экосистемы: типы и составляющие

г. Уфа, 2011г.

Понятие «биосфера»

Содержание понятия биосферы не всегда было однозначным. Первоначально биосферами называли гипотетические глобулы (видимо под влиянием идей французских учёных XVIII века П.Л. Мопертюи и особенно Ж.Л. Бюффона о бессмертных органических молекулах), якобы составляющие живую основу всех организмов. Такое понимание продержалось во Франции до середины века.

Существенно иное представление о биосфере сформулировал в 1875 г. австрийский геолог Э. Зюсс. В монографии «Происхождение Альп» Он говорит о «самостоятельной биосфере» как об особой оболочке Земли, образованной живыми организмами. В заключительной главе большого трехтомного труда «Лик Земли» (1909) этот автор пишет, что понятие «биосфера» возникло как следствие идей Ж. Ламарка и Ч. Дарвина о единстве органического мира.

С работ Зюсса датируется начало биологического представления о биосфере, как о совокупности организмов, населяющих Землю, как о живой оболочке планеты. Такого взгляда придерживались многие русские географы, например Н. М. Сибирцев (1899), Д. Н. Анучин (1902), П. И. Броунов (1910), А. А. Григорьев (1948), английский исследователь и философ Дж. Бернал (1969). Французские учёные Э. Леруа (1927) и П. Тейяр де Шарден (1965, 1969) также взяли за основу определение Зюсса, однако трактуют его в идеалистическом плане. Согласно Тейяру, биосфера - живой пласт планеты - одна из стадий воплощения Бога.

Представление Зюсса о биосфере как об особой оболочке земли использовал и В. И. Вернадский (1926), вложив в него, однако, существенно иное, биогеохимическое, содержание. Биосфера, по Вернадскому, - область распространения жизни, включающая наряду с организмами и среду их обитания. Тейляр де Шарден в Сборнике статей «Будущее человека» (1969) выразил своё несогласие с подобной трактовкой, явно противоречащей его идеалистической концепции эволюции.

Разработка биогеохимического представления о биосфере была тесно связана с практической деятельностью В. И. Вернадского в Комиссии Академии наук по изучению естественных производственных сил России (начало 1915 г.).

Зачатки этого представления можно обнаружить уже в высказываниях ученых XVII и XVIII вв., в книге «Космос» А. Гумбольдта и Докучаева.

В настоящее время оба понимания биосферы, по Зюссу и по Вернадскому, существуют. Н. В. Тимофеев-Ресовский предлагает говорить о биосфере в узком и широком понимании. Представляется более целесообразным употреблять это понятие, вкладывая в него смысл, приданный Вернадским, - область распространения жизни, используя для биосферы в «узком смысле» выражения: «совокупность организмов», «пленка жизни», «живой покров Земли», «биота», «биос».

Верхняя граница биосферы, по Вернадскому (1965), проходит на высоте 15-20 км, охватывая всю тропосферу и нижнюю часть стратосферы: озон находится у полюсов в слое 8 -30 км., в тропиках 15-35 км. Снизу Биосфера ограниченна отложениями на дне океанов ( до глубины свыше 10 км.) и глубиной проникновения в недра Земли организмов и воды в жидком состоянии. Подстилающая литосфера, верхняя стратосфера, ионосфера и космическое пространство служат биосфере средой. Основной энергетический источник, обеспечивающий функционирование биосферы, - лучистая энергия Солнца.

Таким образом, биосфера - это особая термодинамическая открытая оболочка Земли, вещество, энергетика и организация которой и обуславливаются взаимодействием её биотического и абиотического компонентов. Она, следовательно, включает совокупность организмов и их остатки, а также части атмосферы, гидросферы и литосферы, населённые организмами и изменяемые их деятельностью.

Важнейшей функцией биосферы является регулярное, возрастающее во времени воссоздание живого вещества по численности, весу и количеству аккумулированной и удерживаемой энергии. Человек воспринимает эту функцию как биологическую продуктивность биосферы, её частей (океан, почвы, пресные воды) или её отдельных экосистем и биогеоценозов (дельты, луга, тайга, поля зерновых и т.д.).

Биосфера является глобальной экосистемой. Как уже было отмечено ранее, биосфера расчленена на геобиосферу, гидробиосферу и аэробиосферу. Геобиосфера имеет подразделения в соответствии с основными средообразующими факторами: терра - биосфера и литобиосфера--в пределах геобиосферы, маринобиосфера (океа-нобиосфера) и аква - биосфера -- в составе гидро биосферы. Данные образования называют подсферами. Ведущим средообразующим фактором в их образовании является физическая фаза среды жизни: воздушно-водная в аэробиосфере, водная (пресноводная и солено-водная) в гидробиосфере, твердовоздушная в террабиосфере и твердоводная в литобиосфере.

В свою очередь, все они распадаются на слои: аэробиосфера -- на тропобиосферу и альтобиосферу; гидробиосфера -- на фотосферу, дисфотосферу и афотосферу.

Структурообразующие факторы здесь, помимо физической среды, энергетика (свет и тепло), особые условия формирования и эволюции жизни -- эволюционные направления проникновения биоты на сушу, в ее глубины, в пространства над землей, бездны океана, несомненно, различны. Вместе с апобиосферой, парабиосферой и другими под- и надбиосферными слоями они составляют так называемый «слоеный пирог жизни» и геосферы (экосферы) ее существования в пределах границ мегабиосферы.

Биосфера и ее составляющие. Учение В.И. Вернадского о биосфере

Согласно воззрениям основоположника современного учения о биосфере выдающегося русского ученого В.И. Вернадского, с момента возникновения жизни на нашей планете (ориентировочно 3-4 млрд. лет назад) происходил процесс длительного формирования определенного единства живой и косной материи т.е. биосферы (от греч. «биос» - жизнь, «сфера» - шар). Биосфера представляет собой совокупность всего живого (биота): животные, растения, насекомые и др., включая человека. В биосферу кроме живых существ, входят продукты их распада и жизнедеятельности, участвующая в этих процессах вода, радиоактивные вещества.

Биосфера - это оболочка Земли, область распространения жизни, которая включает все живые организмы и все элементы неживой природы, образующие среду обитания живых.

Живое вещество представляет собой наиболее активную часть экосферы. Оно разнообразно и широко распространено, постоянно возобновляется, обладает высокой биохимической активностью и приспособляемостью к жизненным условиям, выработанной за многие тысячелетия эволюции. Биосфера включает нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу, литосферу. В.И.Вернадский подошел к биосфере как к планетной среде, в которой распространено живое вещество. В отличие от ряда ученых, которые рассматривали биосферу только, как совокупность живых организмов и продуктов их жизнедеятельности В.И. Вернадский считал, что живое вещество не может быть оторвано от биосферы, функцией которой оно является. Кроме того, биосфера есть область превращения космической энергии, ибо космические излучения, идущие от небесных тел, охватывают биосферу, проникают сквозь всю нее и все в ней. Таким образом, согласно В.И. Вернадскому биосфера есть «планетное явление космического характера». Иначе говоря, биосфера - это биологическая земная оболочка, не только охваченная жизнью, но и структурно ею организованная.

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 человеком. Ее разрешение требует знания основ экологии, экономики и организации природопользования всеми специалистами экономического профиля.

Человек в конкурентной борьбе за выживание в природной окружающей среде начал строить свои искусственные антропогенные экосистемы. Примерно десять тысяч лет назад он перестал быть, рядовым" консументом, собирающим дары природы, и начал эти "дары" получать сам, посредством своей трудовой деятельности, создав сельское хозяйство - растениеводство и животноводство.

Цель контрольной работы - рассмотреть отличие искусственных и природных экосистем, дать оценку экологическому состоянию Тюменской области, раскрыть понятие экологической надежности экосистем.

Отличие искусственных и природных экосистем

Экологическая система - это рассматриваемая как целое совокупность живых существ, со всеми своими взаимными связями, находящихся в общей для них среде обитания.

Опираясь на энергетические особенности существующих систем, можно их классифицировать, приняв энергию за основу, выделяют четыре фундаментальных типа экосистем:

1. Природные: движимые Солнцем, несубсидируемые;

2. Природные, движимые Солнцем, субсидируемые другими естественными источниками;

3. Движимые Солнцем и субсидируемые человеком;

4. Индустриально-городские, движимые топливом (ископаемым, другим органическим и ядерным).

Эта классификация принципиально отличается от биомной, основанной на структуре экосистем, так как она основана на свойствах среды. Тем не менее, она хорошо дополняет ее. Первые два типа - это природные экосистемы, а третий и четвертый следует отнести к антропогенным (искусственным).

К первому типу экосистем относятся океаны, высокогорные леса, являющиеся основой жизнеобеспечения на планете Земля.

Ко второму типу экосистем относятся эстуарии в приливных морях, речные экосистемы, дождевые леса, т.е. те, которые субсидируются энергией приливных волн, течений и ветра.

Экосистемы первого типа занимают громадные площади - одни океаны - это 70% территории земного шара. Ими движет энергия только самого Солнца, и они являются основой, стабилизирующей и поддерживающей жизнеобеспечивающие условия на планете.

Экосистемы второго типа обладают высокой естественной плодородностью. Эти системы "производят" столько первичной биомассы, что ее хватает не только на собственное содержание, но часть этой продукции может выноситься в другие системы или накапливаться.

Таким образом, природные экосистемы "работают" на поддержание своей жизнедеятельности и собственного развития без всяких забот и затрат со стороны человека, более того, в них создается и заметная доля пищевых продуктов и других материалов, необходимых для жизни самого человека. Но главное, именно здесь очищаются большие объемы воздуха, возвращается в оборот пресная вода, формируется климат и др.

Совсем иначе работают антропогенные экосистемы. К ним можно отнести третий тип - это агроэкосистемы, аквакультуры, производящие продукты питания и волокнистые материалы, но уже не только за счет энергии Солнца, а и дотации ее в форме горючего, поставляемого человеком.

Эти системы походят на природные, поскольку саморазвитие культурных растений в период вегетации - это процесс природный и вызван к жизни природной солнечной энергией. Но подготовка почв, сев, уборка урожая и др. - это уже энергетические затраты человека. Более того, человек практически целиком меняет природную экосистему, что выражается, прежде всего, в ее упрощении, т.е. снижении видового разнообразия вплоть до сильно упрощенной монокультурной системы (таблица 1).

Природная экосистема (болото, луг, лес)	Антропогенная экосистема (поле, завод, дом)
Получает, преобразует, накапливает солнечную энергию.	Потребляет энергию ископаемого и ядерного топлива.
Продуцирует кислород и потребляет диоксид углерода.	Потребляет кислород и продуцирует диоксид углерода при сгорании ископаемого топлива.
Формирует плодородную почву.	Истощает или представляет угрозу для плодородных почв.
Накапливает, очищает и постепенно расходует воду.	Расходует много воды, загрязняет ее.
Создает местообитания различных видов дикой природы.	Разрушает местообитания многих видов дикой природы.
Бесплатно фильтрует и обеззараживает загрязнители и отходы.	Производит загрязнители и отходы, которые должны обеззараживаться за счет населения.
Обладает способностью самосохранения и самовосстановления.	Требует больших затрат для постоянного поддержания и восстановления.

Современное сельское хозяйство позволяет постоянно из года в год удерживать экосистемы на ранних стадиях сукцессий, добиваясь максимальной первичной продуктивности одной или нескольких растений. Крестьянам удается добиваться высоких урожаев, но дорогой ценой, а цена эта обуславливается затратами на борьбу с сорняками, на минеральные удобрения, на образование почв и т.д.

Устойчивое появление новых видов, например, травянистых растений, есть результат естественного сукцессионного процесса.

Животноводство - это также путь к упрощению экосистемы; охраняя полезных ему сельскохозяйственных животных, человек уничтожает диких животных: травоядных, как конкурентов в пищевых ресурсах, хищников - как уничтожающих домашний скот.

Вылов ценных видов рыб упрощает экосистемы водоемов. Загрязнение воздушной и водной сред также ведет к гибели деревьев и рыб и "обирает" природные экосистемы.

По мере роста народонаселения, люди будут вынуждены преобразовывать все новые зрелые экосистемы в простые молодые продуктивные. На поддержание этих систем в "молодом" возрасте увеличивается использование топливо-энергетичеких ресурсов. Кроме того, произойдет утрата видового (генетического) разнообразия и природных ландшафтов (таблица 1).

Молодая, продуктивная экосистема очень уязвима из-за монотипного видового состава, так как в результате какой-то экологической катастрофы (засухи), ее уже не восстановить вследствие разрушения генотипа. Но для жизни человечества они необходимы, поэтому наша задача - сохранить баланс между упрощенными антропогенными и соседствующими с ним более сложными, с богатейшим генофондом, природными экосистемами, от которых они зависят.

Энергетические затраты в сельском хозяйстве велики - природные плюс субсидируемые человеком и, тем не менее, самое продуктивное сельское хозяйство находится примерно на уровне продуктивных природных экосистем.

Продуктивность и тех и других основана на фотосинтезе действительное различие между системами лишь в распределении энергии: в антропогенной она поглощается лишь несколькими (одним-двумя) видами, а в природной - многими видами и веществами.

В экосистемах четвертого типа, к которым относятся индустриально-городские системы - энергия топлива полностью заменяет солнечную энергию. По сравнению с потоком энергии в природных экосистемах - здесь ее расход на два-три порядка выше.

Оценка экологического состояния региона (Тюменская область)

По сведениям, предоставленным ГУ "Тюменский центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды" за 1 квартал 2010 года, состояние атмосферного воздуха г. Тюмени оставалось неудовлетворительным. Превышение предельно допустимых среднесуточных концентраций (ПДКс.с.) отмечено по всем контролируемым примесям, за исключением диоксида серы. Содержание формальдегида превышало ПДКс.с. на всех постах наблюдения в течение всего периода (от 1.4 до 9.1 ПДКс.с. в среднем за декаду). Повышенное содержание в воздухе фенола зафиксировано в районе Дома обороны в 3 декаде января и в марте (от 1.1 до 1.4 ПДКс.с. в среднем за декаду), в Заречном микрорайоне - в 3 декаде января и в 1 декаде марта (от 1,1 до 1,2 ПДКс.с. в среднем за декаду). Случаи превышения предельно допустимой среднесуточной концентрации оксида углерода отмечались в феврале в районе ТЭЦ-1.

Максимальное в среднем за квартал содержание в атмосферном воздухе пыли и диоксида азота зафиксировано на пересечении улиц Республики и Мориса Тореза, фенола - в районе Дома Обороны.

По сравнению с 1 кварталом 2009 года в целом по городу в воздухе увеличилось содержание формальдегида, содержание пыли осталось примерно на том же уровне, несколько снизилось содержание диоксида азота.

Наибольшие из максимальных разовых концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе составили, кратность ПДК м.р.:

пыль - 2,4 (январь, район ул. Луначарского),

оксид углерода - 2,2 (февраль, район ТЭЦ-1).

формальдегид - 2,0 (январь, район ул. Луначарского),

фенол - 1,5 (февраль, район Дома обороны),

Качество атмосферного воздуха г. Тобольска в январе-феврале 2010 г. оставалось удовлетворительным, однако на одном из наблюдательных постов отмечалось превышение норм по содержанию в атмосфере формальдегида (соответственно 1.3 ПДКс.с. и 1.7 ПДКс.с. в среднем за месяц).

Мощность экспозиционной дозы гамма-излучения в районе города Тюмени не превышала естественных фоновых значений.

По сведениям, предоставленным ГУ "Тюменский центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды", в январе-феврале 2010 года отмечены следующие уровни загрязнения поверхностных водных объектов:

р. Ишим (с. Ильинское, г. Ишим)

- нефтепродукты в пределах от 0,2 до 2,4 ПДК;

- фенолы от 0 до 2,0 ПДК;

- азота аммонийный, азота нитритный, азота нитратный - в пределах и ниже нормы р. Тобол (с. Коркино, г. Ялуторовск)

- нефтепродукты от 1,0 до 2,2 ПДК;

- фенолы от 0 до 3,0 ПДК;

- азот нитритный от 0,1 до 4,4 ПДК;

- азота аммонийный и азот нитратный - в пределах и ниже нормы.

р. Тура (с. Салаирка, г. Тюмень)

- нефтепродукты от 0,4 до 1,8 ПДК;

- фенолы от 1,0 до 3,0 ПДК;

- азот аммонийный от 2,2 до 2,3 ПДК;

- азот нитритный от 0 до 3,0 ПДК;

- азот нитратный - ниже нормы.

В феврале 2010 г. зарегистрированы случаи экстремально высокого загрязнения марганцем (в концентрациях от 60.9 до 205.9 ПДК) на следующих водных объектах: р. Тура (в черте с. Салаирка, выше и ниже г. Тюмени), р. Пышма (в черте п. Богандинский), р. Ук (г. Заводоуковск), р. Вагай (в черте с. Вагай). Предположительный источник загрязнения - природного происхождения.

11.01.2010 на ул. Гранитной в г. Тюмени в результате опрокидывания цистерны, установленной в кузове грузового автомобиля, произошел разлив около 5 куб. м фенолформальдегидной смолы, принадлежавшей ООО "Тавдинский фанерный комбинат" (с. Тавда, Свердловская область). Загрязнено дорожное полотно на участке размером 6 м х 40 м. Ликвидация загрязнения начата 12.01.2010 силами предприятия, в связи с низкой температурой воздуха работы велись в течение недели. Отходы, образовавшиеся в процессе ликвидации разлива (загрязненный снег и др.), вывезены на утилизацию в ООО "Тавдинский фанерный комбинат". 28.01.2010 лабораторией Филиала по Тюменской области ФГУ "ЦЛАТИ по Уральскому федеральному округу" проведены инструментальные исследования содержания фенола и формальдегида в атмосферном воздухе в месте разлива, превышений не обнаружено; комиссией в составе представителей комитета по экологии администрации г. Тюмени, Управления Росприроднадзора по Тюменской области, прокуратуры Калининского АО г. Тюмени зафиксирован факт полной очистки загрязненной территории. Комитетом по экологии г. Тюмени наложен штраф на ООО "Тавдинский фанерный комбинат" в сумме 30 тыс. руб.

Понятие экологической надежности экосистем

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 т.д. Причиной пирогенных сукцессий являются пожары; катастрофических - извержения вулканов, ураганы, необычный паводок, массовое размножение вредителей и т.п.; антропогенных - хозяйственная деятельность человека.

Экологическая надежность - способность экосистемы относительно полно самовосстанавливаться и саморегулироваться (в пределах естественных для системы суточных, сезонных, межгодовых и вековых флуктуаций) в течение сукцессионного или эволюционного отрезка ее существования. Простейший механизм поддержания экологической надежности - замена выбывшего по каким-либо причинам вида или сообщества другим, экологически близким. Если такого вида нет, то его сменяет более систематически отдаленный, например, во многих местах волков - бродячие собаки, а в естественных степях копытных - грызуны, даже растительноядные насекомые. При этом выпадают не просто отдельные виды, но всегда группы взаимосвязанных видов. при более глубоком нарушении замена происходит на уровне сообщества разного уровня вплоть до биогеоценозов, даже ландшафтных образований (леса сменяются степью, тундрой и т.п.). Нередко при этом снижается их продуктивность и производительность. Наиболее нежелательна смена продуктивных природных систем пустынями.

Трофическая структура экосистем и ее составляющие: продуценты, консументы, детритофаги, редуценты

Важнейший вид взаимоотношений между организмами в биоценозе, фактически формирующими его структуру, - это пищевые связи хищника и жертвы: одни - поедающие, другие - поедаемые. При этом все организмы, живые и мертвые, являются пищей для других организмов: заяц ест траву, лиса и волк охотятся на зайцев, хищные птицы (ястребы, орлы и т.п.) способны утащить и съесть как лисенка, так и волчонка. Погибшие растения, зайцы, лисы, волки, птицы становятся пищей для детритофагов (редуцентов или иначе деструкторов).

Пищевая цепь - это последовательность организмов, в которой каждый из них съедает или разлагает другой. Она представляет собой путь движущегося через живые организмы однонаправленного потока поглощенной при фотосинтезе малой части высокоэффективной солнечной энергии, поступившей на Землю. В конечном итоге эта цепь возвращается в окружающую природную среду в виде низкоэффективной тепловой энергии. По ней также движутся питательные вещества от продуцентов к консументам и далее к редуцентам, а затем обратно к продуцентам.

Каждое звено пищевой цепи называют трофическим уровнем. Первый трофический уровень занимают автотрофы, иначе именуемые первичными продуцентами. Организмы второго трофического уровня называют первичными консументами, третьего - вторичными консументами и т.д. Обычно бывают четыре или пять трофических уровней и редко более шести (рис. 1) Николайкин Н. И. Экология: Учеб. для вузов / Н. И. Николайкин, Н. Е. Николайкина, О. П. Мелехова. - 3-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2004..

Существуют два главных типа пищевых цепей - пастбищные (или «выедания») и детритные (или «разложения»).

Стрелками на рисунке 1 показано направление перемещения энергии, а цифрами - относительное количество энергии, приходящей на трофический уровень.

В пастбищных пищевых цепях первый трофический уровень занимают зеленые растения, второй - пастбищные животные (термин «пастбищные» охватывает все организмы, питающиеся растениями), а третий - хищники. Так, пастбищными пищевыми цепями являются:

РАСТИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ (например, нектар) => МУХА =>

ПАУК => ЗЕМЛЕРОЙКА => СОВА

СОК РОЗОВОГО КУСТА => ТЛЯ => БОЖЬЯ КОРОВКА => ПАУК =>

=> НАСЕКОМОЯДНАЯ ПТИЦА => ХИЩНАЯ ПТИЦА.

Детритная пищевая цепь начинается с детрита по схеме:

ДЕТРИТ-> ДЕТРИТОФАГ -> ХИЩНИК

Характерными детритными пищевыми цепями являются:

ЛИСТОВАЯ ПОДСТИЛКА ЛЕСА => ДОЖДЕВОЙ ЧЕРВЬ =>

ЧЕРНЫЙ ДРОЗД=> ЯСТРЕБ-ПЕРЕПЕЛЯТНИК

МЕРТВОЕ ЖИВОТНОЕ => ЛИЧИНКИ ПАДАЛЬНОЙ МУХИ =>

ТРАВЯНАЯ ЛЯГУШКА => ОБЫКНОВЕННЫЙ УЖ.

Концепция пищевых цепей позволяет в дальнейшем проследить круговорот химических элементов в природе, хотя простые пищевые цепи, подобные изображенным ранее, где каждый организм представлен как питающийся организмами только какого-то одного типа, в природе встречаются редко.

Реальные пищевые связи намного сложнее, ибо животное может питаться организмами разных типов, входящих в одну и ту же пищевую цепь или в различные цепи, что особенно характерно для хищников (консументов) высших трофических уровней. Связь между пастбищной и детритной пищевыми цепями иллюстрирует предложенная Ю. Одумом модель потока энергии.

Всеядные животные (в частности, человек) питаются и консументами, и продуцентами. Таким образом, в природе пищевые цепи переплетаются, образуют пищевые (трофические) сети.

Сквозной поток энергии, проходя через трофические уровни биоценоза, постепенно гасится. В 1942 г. Р. Линдеман сформулировал закон пирамиды энергий, или закон (правило) 10%, согласно которому с одного трофического уровня экологической пирамиды переходит на другой, более высокий ее уровень (по «лестнице»: продуцент - консумент - редуцент) в среднем около 10% поступившей на предыдущий уровень экологической пирамиды энергии. Обратный поток, связанный с потреблением веществ и продуцируемой верхним уровнем экологической пирамиды энергии более низкими ее уровнями, например, от животных к растениям, намного слабее - не более 0,5% (даже 0,25%) от общего ее потока, и потому говорить о круговороте энергии в биоценозе не приходится.

Если энергия при переходе на более высокий уровень экологической пирамиды десятикратно теряется, то накопление ряда веществ, в том числе токсичных и радиоактивных, в примерно такой же пропорции увеличивается. Этот факт фиксирован в правиле биологического усиления. Оно справедливо для всех ценозов. В водных биоценозах накопление многих токсичных веществ, в том числе хлорорганических пестицидов, коррелирует с массой жиров (липидов), т.е. явно имеет энергетическую подоснову.

Экологические пирамиды

Для наглядности представления взаимоотношений между организмами различных видов в биоценозе принято использовать экологические пирамиды, различая пирамиды численности, биомасс и энергии.

Среди экологических пирамид наиболее известными и часто используемыми являются:

§ Пирамида численности

§ Пирамида биомасс

§ Пирамида энергий

Далее, рассмотрим кратко каждую из перечисленных пирамид.

Пирамида численности. Для построения пирамиды численности подсчитывают число организмов на некоторой территории, группируя их по трофическим уровням:

§ продуценты - зеленые растения;

§ первичные консументы - травоядные животные;

§ вторичные консументы - плотоядные животные;

§ третичные консументы - плотоядные животные;

§ га-е консументы («конечные хищники») - плотоядные животные;

§ редуценты - деструкторы.

Консументы второго, третьего и более высоких порядков могут быть хищниками (охотиться, схватывая и убивая жертву), могут питаться падалью или быть паразитами.

В последнем случае они по величине меньше своих хозяев, в результате чего пищевые цепи паразитов необычны по ряду параметров. В типичных пищевых цепях хищников плотоядные животные становятся крупнее на каждом трофическом уровне.

Каждый уровень изображается условно в виде прямоугольника, длина или площадь которого соответствуют численному значению количества особей. Расположив эти прямоугольники в соподчиненной последовательности, получают экологическую пирамиду численности основной принцип построения которой впервые сформулировал американский эколог Ч. Элтон.

Экологическая пирамида численности для луга, поросшего злаками: цифры - число особей

Данные для пирамид численности получают достаточно легко путем прямого сбора образцов, однако существуют и некоторые трудности:

§ продуценты сильно различаются по размерам, хотя один экземпляр злака или водоросли имеет одинаковый статус с одним деревом. Это порой нарушает правильную пирамидальную форму, иногда давая даже перевернутые пирамиды.

§ диапазон численности различных видов настолько широк, что при графическом изображении затрудняет соблюдение масштаба, однако в таких случаях можно использовать логарифмическую шкалу.

Пирамида биомасс. Экологическую пирамиду биомасс строят аналогично пирамиде численности. Ее основное значение состоит в том, чтобы показывать количество живого вещества (биомассу - суммарную массу организмов) на каждом трофическом уровне. Это позволяет избежать неудобств, характерных для пирамид численности.

В этом случае размер прямоугольников пропорционален массе живого вещества соответствующего уровня, отнесенной к единице площади или объема.

Термин «пирамида биомасс» возник в связи с тем, что в абсолютном большинстве случаев масса первичных консументов, живущих за счет продуцентов, значительно меньше массы этих продуцентов, а масса вторичных консументов значительно меньше массы первичных консументов. Биомассу деструкторов принято показывать отдельно.

При отборе образцов определяют биомассу на корню или урожай на корню (т.е. в данный момент времени), которая не содержит никакой информации о скорости образования или потребления биомассы.

Скорость создания органического вещества не определяет его суммарные запасы, т.е. общую биомассу всех организмов каждого трофического уровня. Поэтому при дальнейшем анализе могут возникнуть ошибки, если не учитывать следующее:

* во-первых, при равенстве скорости потребления биомассы (потеря из-за поедания) и скорости ее образования урожай на корню не свидетельствует о продуктивности, т.е. о количестве энергии и вещества, переходящих с одного трофического уровня на другой, более высокий, за некоторый период времени (например, за год). Так, на плодородном, интенсивно используемом пастбище урожай трав на корню может быть ниже, а продуктивность выше, чем на менее плодородном, но мало используемом для выпаса;

* во-вторых, продуцентам небольших размеров, например водорослям, свойственна высокая скорость роста и размножения, уравновешиваемая интенсивным потреблением их в пищу другими организмами и естественной гибелью. Поэтому продуктивность их может быть не меньше чем у крупных продуцентов (например, деревьев), хотя на корню биомасса может быть мала. Иными словами, фитопланктон с такой же продуктивностью, как у дерева, будет иметь намного меньшую биомассу, хотя мог бы поддерживать жизнь животных такой же массы.

Одним из следствий описанного являются «перевернутые пирамиды б). Зоопланктон биоценозов озер и морей чаще всего обладает большей биомассой, чем его пища - фитопланктон, однако скорость размножения зеленых водорослей настолько велика, что в течение суток они восстанавливают всю съеденную зоопланктоном биомассу. Тем не менее в определенные периоды года (во время весеннего цветения) наблюдают обычное соотношение их, кажущихся аномалий лишены пирамиды энергий, рассматриваемые далее.

Пирамида энергий. Самым фундаментальным способом отражения связей между организмами разных трофических уровней и функциональной организации биоценозов является пирамида энергий, в которой размер прямоугольников пропорционален энергетическому эквиваленту в единицу времени, т.е. количеству энергии (на единицу площади или объема), прошедшей через определенный трофический уровень за принятый период Там же.. К основанию пирамиды энергии можно обоснованно добавить снизу еще один прямоугольник, отражающий поступление энергии Солнца.

Пирамида энергий отражает динамику прохождения массы пищи через пищевую (трофическую) цепь, что принципиально отличает ее от пирамид численности и биомасс, отражающих статику системы (количество организмов в данный момент). На форму этой пирамиды не влияют изменения размеров и интенсивности метаболизма особей. Если учтены все источники энергии, то пирамида всегда будет иметь типичный вид (в виде пирамиды вершиной вверх), согласно второму закону термодинамики.

Пирамида энергии: цифры - количество энергии, кДж * м-2 *r-1

Пирамиды энергий позволяют не только сравнивать различные биоценозы, но и выявлять относительную значимость популяций в пределах одного сообщества. Они являются наиболее полезными из трех типов экологических пирамид, однако получить данные для их построения труднее всего.

Одним из наиболее удачных и наглядных примеров классических экологических пирамид служат пирамиды. Точки Пастера, как и закон пирамиды энергий Р. Линдемана, дали повод для формулировки правил одного и десяти процентов. Конечно, 1 и 10 - числа приближенные: около 1 и примерно 10.

«Магическое число» 1% возникает из соотношения возможностей потребления энергии и «мощностей», необходимых для стабилизации среды. Для биосферы доля возможного потребления общей первичной продукции не превышает 1% (что следует и из закона Р. Линдемана: около 1% чистой первичной продукции в энергетическом выражении потребляют позвоночные животные как консументы высших порядков, около 10% - беспозвоночные как консументы низших порядков и оставшуюся часть - бактерии и грибы-сапрофаги). Как только человечество на грани прошлого и нашего веков стало использовать большее количество продукции биосферы (сейчас не менее 10%), так перестал удовлетворяться принцип Ле Шателье - Брауна (видимо, примерно с величины 0,5% от общей энергетики биосферы): растительность не давала прироста биомассы в соответствии с увеличением концентрации СО2 и т.д. (прирост количества связанного растениями углерода наблюдался лишь в прошлом веке).

Эмпирически порог потребления 5 - 10% от суммы вещества, приводящий с переходом через него к заметным изменениям в системах природы, достаточно признан. Принят он главным образом на эмпирико-интуитивном уровне, без различения форм и характера управления в этих системах. Ориентировочно можно разделить намечающиеся переходы для природных систем с организменным и консорционным типом управления с одной стороны, и популяционных систем с другой. Для первых интересующие нас величины - порог выхода из стационарного состояния до 1% от потока энергии («нормы» потребления) и порог саморазрушения - около 10% от этой «нормы». Для популяционных систем превышение в среднем 10% объема изъятия приводит к выходу этих систем из стационарного состояния.

Разложение живого вещества

Разложение есть результат биотических (связанных с деятельностью живых организмов), так и абиотических (непосредственно с жизнью несвязанных) процессов. Типичным абиотическим процессом разложения биоорганики является пожар. Пожар - это важный, а иногда и необходимый процесс в экосистемах, где организмы-деструкторы не успевают возвращать вещество в круговорот жизни. Например, сильные (верховые) лесные пожары оставляют после себя удобренную почву, на которой через сравнительно короткое время разовьется более молодой лес. К абиотическим деструкторам можно отнести также процессы замораживания и оттаивания, трение об воду и т.п.

Однако главную роль в процессах разложения играют живые существа. Все консументы, начиная с фитофагов и кончая сапротрофами, участвуют в процессе измельчения и переваривания пищи. То есть процесс разложения происходит в основном благодаря преобразованию энергии внутри организмов и передаче ее от одного организма к другому вдоль пищевой цепи. Этот процесс необходим для жизни, и в случае его прекращения вскоре все биогенные элементы оказались бы сосредоточенными в мертвых остатках, после чего жизнь прекратилась бы. В природе процесс разрушения примерно уравновешивает первичную продуктивность.

Основную работу в процессах распада биоорганики выполняют сапротрофы, в основном грибы и бактерии. Однако присутствие животных, особенно мелких (короеды, улитки, жуки-могильщики и т.п.) существенно ускоряет процесс разложения. Например, животные-детритофаги не могут переварить целлюлозу, но они способны измельчить ее, увеличивая площадь, доступную для воздействия микроорганизмов. Кроме того, они выводят в среду белки, стимулирующие рост и активность микроорганизмов. Одновременно они выедают часть бактерий и грибов, то есть участвуют в регулировании всего детритного комплекса. Процесс разложения довольно сложен и детально отлажен (так и хочется сказать «продуман»). Ни один вид сапротрофов не может самостоятельно осуществить разложение отмерших остатков. Полное разрушение осуществляется целым комплексом разрушителей, которые последовательно сменяют друг друга, подготавливая среду друг для друга.

В процессе разложения можно выделить три стадии

1) размельчение детрита, сопровождающееся высвобождением растворимого органического вещества;

2) сравнительно быстрое образование гумуса и высвобождение сапротрофами дополнительного количества растворимых органических веществ:

3) более медленная минерализация гумуса.

Гумус с химической точки зрения представляет собой комплекс продуктов конденсации ароматических соединений (фенолов) с продуктами распада белков и полисахаридов. Детрит (продукты распада отмершей органики), гумус и другой органический материал играют важную роль при образовании почв. Они придают почве структуру, благоприятную для роста растений, облегчают усвоение растениями питательных веществ.

Минерализация органических веществ, в результате чего растения снабжаются минеральным сырьем, является не единственной функцией сапротрофов. Как уже говорилось, они могут служить пищей для некоторых животных (например, грибы, собираемые нами в лесу). Кроме того, грибы и микробы, несмотря на то, что мы считаем их примитивными, быстро приспосабливаясь к меняющимся условиям, обеспечивают «тонкую настройку», поддерживающую стабильность экосистемы. Они выделяют в окружающую среду некоторые вещества (энзимы), оказывающие управляющее действие на всю экосистему, стимулируя или подавляя (ингибируя) активность отдельных подсистем. Это в первую очередь «наружные гормоны» или «гормоны среды», например пенициллин, выделяемый плесневым грибом, подавляющий деятельность бактерий, а также разного рода витамины, стимулирующие их рост. Таким образом, благодаря сапротрофам, почва, как и живая ткань, обладает богатым набором ферментов и проявляет каталитическую активность. В ней протекают сложнейшие процессы обмена веществ и энергии, идет непрерывное производство определенных органических веществ и переход сложных соединений в более простые, доступные растениям. В почве, как в любом живом организме, все сложнейшие процессы происходят с явными признаками упорядоченности. Все это позволяет рассматривать почву со всеми населяющими ее микро- и макроорганизмами, как единое биологическое тело, то есть живое существо.

Для биосферы важное значение имеет некоторое отставание разложения продукции автотрофного уровня от процессов ее создания, благодаря чему стабилизируется круговорот биогенных веществ и состав атмосферы (соотношение СО2 и О2), а также происходит накопление горючих ископаемых. Поэтому крайнюю озабоченность вызывает деятельность людей, которые ускоряют процессы разложения сжигая горючие ископаемые, разрушая структуру почвы, уничтожая леса. В результате количество углекислого газа в атмосфере неуклонно возрастает, что заставляет нас беспокоиться по поводу грозящего планете потепления. В отличие от колебаний средней температуры планеты в прошлые эпохи, это потепление развивается стремительными темпами. Мы уже подняли среднюю температуру планеты где-то на 2 градуса по сравнению с доиндустриальной эпохой. Еще на 2 градуса выше температура будет уже в 2050 году, если к тому времени цивилизация еще будет существовать в современном виде. Этот процесс рушит многие механизмы устойчивости экосистем. Невооруженным глазом видно, как природа уступает стремительному натиску человека. Сможем ли мы сами выжить в стерильном мире? Конечно же, нет. Жизнь процветает благодаря разнообразию и тесному переплетению различных форм.

Может быть, поэтому природа активизирует против нас мир сапротрофов, поражая нас все новыми болезнями. Ведь сапротрофы пожирают не только отмершие организмы, но и ослабленные. А ослабление наших организмов вызвано тем образом жизни, который дисгармонирует с природой. Микроорганизмы очень динамичны и чувствительны к малейшим изменениям среды, а может, и к изменениям биополя планеты, выполняя роль гормонов, управляющих всеми процессами в биосфере. В определенном смысле именно они являются «царями природы», корректируя численности популяций макроорганизмов.

Особо охраняемые природные территории

Особо охраняемые природные территории (ООПТ) относятся к объектам общенационального достояния и представляют собой участки земли, водной поверхности и воздушного пространства над ними, где располагаются природные комплексы и объекты, которые имеют особое природоохранное, научное, культурное, эстетическое, рекреационное и оздоровительное значение, которые изъяты решениями органов государственной власти полностью или частично из хозяйственного использования и для которых установлен режим особой охраны.

По имеющимся оценкам ведущих международных организаций в конце 90-х годов в мире насчитывалось около 10 тыс. крупных охраняемых природных территорий всех видов. Общее число национальных парков при этом приближалось к 2000, а биосферных заповедников - к 350.

С учетом особенностей режима и статуса, находящихся на них природоохранных учреждений обычно различают следующие категории указанных территорий (Международные нормативные акты ЮНЕСКО / Сост. И.Д.Никулин. - М.: Изд. фирма «Логос», 2002.):

§ государственные природные заповедники, в том числе биосферные;

§ национальные парки;

§ природные парки;

§ государственные природные заказники;

§ памятники природы;

§ дендрологические парки и ботанические сады;

§ лечебно-оздоровительные местности и курорты.

Первые две группы из вышеперечисленных территорий представляют особую значимость для охраны природы нашей страны.

Правительство Российской Федерации, соответствующие органы исполнительной власти субъектов Федерации, органы местного самоуправления могут устанавливать и иные категории ООПТ.

В целях защиты ООПТ от неблагоприятных антропогенных воздействий на прилегающих к ним участках земли и водного пространства могут создаваться охранные зоны или округа с регулируемым режимом хозяйственной деятельности.

ООПТ могут иметь федеральное, региональное или местное значение. ООПТ федерального значения являются федеральной собственностью и находятся в ведении федеральных органов государственной власти. ООПТ регионального значения являются собственностью субъектов Российской Федерации и находятся в ведении органов государственной власти субъектов Федерации. ООПТ местного значения являются собственностью муниципальных образований и находятся в ведении органов местного самоуправления.

ООПТ неоднородны по своему природоохранному режиму и выполняемым функциям. В иерархической системе каждая категория ООПТ отличается способностью удержать от разрушения и серьезного изменения природный комплекс или отдельные его структурные части Уранов Г.В.. ЮНЕСКО: к 40-летию деятельности. - М.: Международные отношения, 1999..

Государственные природные заповедники являются природоохранными, научно-исследовательскими и эколого-просветительскими учреждениями, имеющими целью сохранение и изучение естественного хода природных процессов и явлений, генетического фонда растительного и животного мира, отдельных видов и сообществ растений и животных, типичных и уникальных экологических систем. Эти заповедники являются в России наиболее традиционной и жесткой формой территориальной охраны природы, имеющей приоритетное значение для сохранения биологического разнообразия.

На территории заповедников полностью изымаются из хозяйственного использования, особо охраняемые природные комплексы и объекты, имеющие природоохранное, научное, эколого-просветительское значение как образцы естественной природной среды, типичные или редкие ландшафты, места сохранения генетического фонда растительного и животного мира.

Земля, воды, недра, растительный и животный мир, находящиеся на территориях заповедников, предоставляются в пользование последних на правах, предусмотренных федеральными законами. Имущество заповедников является федеральной собственностью. Здания, сооружения, историко-культурные и другие объекты недвижимости закрепляются за заповедниками на правах оперативного управления. Запрещается изъятие или иное прекращение прав на земельные участки и другие природные ресурсы, которые включаются в заповедники. Природные ресурсы и недвижимое имущество заповедников полностью изымаются из оборота.

Положение о конкретном заповеднике, его статус утверждаются органом, уполномоченным на то Правительством Российской Федерации.

На территории заповедника запрещается любая деятельность, противоречащая задачам заповедника и режиму особой охраны его территории, установленному в положении о данном заповеднике; запрещается интродукция живых организмов в целях их акклиматизации.

На территориях заповедников допускаются мероприятия и деятельность, направленные на:

§ сохранение в естественном состоянии природных комплексов, восстановление и предотвращение изменений природных комплексов и их компонентов в результате антропогенного воздействия;

§ поддержание условий, обеспечивающих санитарную и противопожарную безопасность;

§ предотвращение условий, способных вызвать стихийные бедствия, угрожающие жизни людей и населенным пунктам;

§ осуществление экологического мониторинга;

§ выполнение научно-исследовательских задач;

§ ведение эколого-просветительской работы;

§ осуществление контрольно-надзорных функций.

Сеть заповедников России создавалась в течение более восьмидесяти последних лет.

Всего в Российской Федерации к началу 1998 г. официально функционировали 98 государственных природных заповедников общей установленной Правительством Российской Федерации площадью 32 935 874 га, в том числе площадь морской акватории - 6 473 173 га. Сухопутная с внутренними водоемами площадь заповедников составляет 26 462 701 га.

На начало 1999 г. в стране официально действовало 99 заповедников общей площадью 33 152 082 га, в том числе морской акватории - 6 473 515 га. Сухопутная территория составила, соответственно, 26 678 567 га, что на 215 866 га, или на 0,8% превышает уровень предыдущего года.

К началу 2000 г. официальное количество государственных заповедников не изменилось. Общая их официальная площадь была на уровне 33 257 тыс. га, что составляет менее 1,6% от всей территории Российской Федерации.

В результате расширения площади ряда заповедников в 2000 г. их суммарная официальная территория, по оценке, превысила 33,5 млн. га (Рис. 9).

Заповедники расположены на территории 18 из 21 республики в составе Российской Федерации, 5 из 6 краев, 35 из 49 областей, Еврейской автономной области и 7 из 10 автономных округов.

В системе Госкомэкологии России к 1999 г. официально функционировали 93 заповедника общей площадью 32 740 823 га, в том числе морской акватории - 6 410 515 га. Сухопутная площадь составляет здесь 26 330 308 га.

Вне системы Госкомэкологии России находились 6 заповедников, общая официально закрепленная площадь, которых составляет 411 259 га, в том числе площадь морской акватории - около 63 000 га. Сюда, в частности, входят:

§ 4 заповедника, находящиеся в ведении РАН и непосредственном управлении ее структурных подразделений;

§ заповедник «Галичья гора», находящийся в ведении Минобразования России и непосредственном управлении Воронежского госуниверситета;

§ Южно-Уральский заповедник, находящийся в ведении Рослесхоза и непосредственном управлении Минлесхоза Республики Башкортостан.

§ Особый статус и назначение имеет также и не включенный в общий перечень и расположенный в Тверской области государственный комплекс «Завидово» Минобороны России, год образования - 1929, общая фактическая площадь - 1254 км2.

В частности, в 1997 г. были созданы четыре новых госзаповедника, находившиеся в ведении Госкомэкологии России: «Бастак», Богдинско-Баскунчакский Болоньский, Ненецкий. Кроме того, была расширена площадь заповедника «Остров Врангеля» на 14,3 тыс. км2 за счет отнесения к ней 12-мильной зоны вокруг заповедных островов Врангеля и Геральд.

В феврале 1998 г. был учрежден государственный природный заповедник «Норский» в Амурской области общей площадью 211 168 га. В 1998 г. была официально расширена территория Центрально-Черноземного государственного природного биосферного заповедника им. В.В. Алехина и государственного природного заповедника «Чазы» в Республике Хакасия.

В 1999 г. работы в области заповедного дела были продолжены. В частности, в самом конце 1999 г. постановлением Правительства Российской Федерации был организован государственный природный заповедник «Тигирекский». Было принято решение создать на базе реорганизуемых государственных природных заповедников «Малый Абакан» и «Чазы» новый заповедник «Хакасский» Госкомэкологии России. В целях оптиматизации территорий государственных природных заповедников «Лес на Ворскле» и Центрально-Черноземного распоряжением Правительства Российской Федерации в марте 1999 г. участки Центрально-Черноземного заповедника, расположенные в Белгородской области, общей площадью 1003 га были переданы в состав заповедника «Лес на Ворскле», переименнованного этим же распоряжением в заповедник «Белогорье». Была расширена площадь Сихотэ-алинского государственного природного биосферного заповедника, а также Лазовского государственного природного заповедника им. Капланова.

В апреле 2000 г. площадь природного биосферного заповедника «Убсунурская котловина» (Республика Тыва) была увеличена на 283 558 га. Кроме того, правительством страны принято решение по расширению территории государственного природного заповедника «Ханкайский» на 1300 га. Проводились также и другие работы в этом направлении.

На рубеже 2000-2001 гг. Правительство Российской Федерации приняло официальное решение об образовании еще одного государственного природного заповедника «Эрзи» в Республике Ингушетия. Заповедник находится в системе МПР России; в соответствии с правительственным решением ему отведено почти 6 тыс. га земель.

Система российских государственных природных заповедников имеет широкое признание в мире: 21 российский заповедник имеет международный статус биосферных резерватов, 7 находятся под юрисдикцией Всемирной конвенции о сохранении культурного и природного наследия, 10 попадают под юрисдикцию Рамсарской конвенции, 4 - Окский, Тебердинский, Центрально-Черноземный и Костомукшский - имеют дипломы Совета Европы.

Статус государственных природных биосферных заповедников имеют государственные природные заповедники, которые входят в международную систему соответствующих резерватов, осуществляющих глобальный экологический мониторинг.

К территориям биосферных заповедников в целях проведения научных исследований, экологического мониторинга, а также апробирования и внедрения методов рационального природопользования, не разрушающих окружающую природную среду и не истощающих биологические ресурсы, могут быть присоединены территории биосферных полигонов, в том числе с дифференцированным режимом особой охраны и функционирования.