Биосфера.Популяция.Население Земли.Атомная энергетика

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ  ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ  ТОМСКИЙ  ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

Институт

дистанционного  образования

Бухгалтерский учет, анализ и аудит

Томск ¾ 2012

Содержание

1. Биосфера и ее составляющие.
2. Популяция, ее структура и динамика.
3. Население Земли и пищевые ресурсы.
4. Атомная энергетика. Влияние на окружающую среду.
5. Нормирование качества воды в водоемах.

         Список использованной литературы.

1. Биосфера и ее составляющие.

Биосфера  представляет собой организованную, определенную оболочку земной коры, сопряженную  с жизнью. Пределы биосферы обусловлены  прежде всего полем существования  жизни. Биосфера — не просто одна из существующих оболочек Земли, подобно  литосфере, гидросфере или атмосфере. Основное отличие биосферы состоит  в том, что она — организованная оболочка. Биосфера — не только геологическая, но и космическая сила. Быть живым  — значит быть организованным, отмечал  В.И. Вернадский, и в этом состоит  суть понятия биосферы как организованной оболочки Земли.

Существует  два основных определения понятия  «биосфера», одно из которых и дало начало применению данного термина. Это понимание биосферы как совокупности всех живых организмов на Земле. В.И. Вернадский, изучавший взаимодействие живых и неживых систем, переосмыслил понятие биосферы. Он понимал биосферу как сферу единства живого и неживого.

Такое толкование определило взгляд В.И. Вернадского  на проблему происхождения жизни. Из нескольких вариантов: жизнь возникла до образования Земли и была занесена на нее; жизнь зародилась после образования  Земли; жизнь возникла вместе с формированием  Земли — В.И. Вернадский придерживался  последнего и считал, что нет убедительных научных данных, что живое когда-либо не существовало на нашей планете. Жизнь  оставалась в течение геологического времени постоянной, менялась только ее форма. Иными словами, биосфера была на Земле всегда.

Под биосферой  Вернадский понимал тонкую оболочку Земли, в которой все процессы протекают под прямым воздействием живых организмов. Биосфера располагается  на стыке литосферы, гидросферы и  атмосферы. В атмосфере верхние  границы жизни определяются озоновым экраном — тонким слоем озона  на высоте примерно 20 км. Океан населен  жизнью целиком, до дна самых глубоких впадин в 10—11 км. В твердую часть  Земли жизнь проникает до 3 км. Занимаясь созданной им биогеохимией, изучающей распределение химических элементов по поверхности планеты, В.И. Вернадский пришел к выводу, что  нет практически ни одного элемента из таблицы Менделеева, который не включался бы в живое вещество.

Строение  Земли, по В.И. Вернадскому, есть согласованный  механизм. «Твари Земли являются созданием  сложного космического процесса, необходимой  и закономерной частью стройного  космического механизма». Само живое  вещество не случайное создание.

Живые организмы, включающие в себя все известные  химические элементы, в процессе жизнедеятельности  осуществляют превращение энергии. Основные выводы учения Вернадского  о биосфере сводятся к следующему:

1) принцип  целостности утверждает, что биосфера, жизнь существуют как единое  целое. Жизнь является необходимой  и закономерной частью стройного  космического механизма;

2) принцип  гармонии биосферы заключается  в ее организованности, стройности, неразрывной связи в ней живых  и неживых компонентов;

3) принцип  значительности роли живого в  эволюции Земли утверждает, что  на земной поверхности нет  химической силы, более постоянно  действующей и более могущественной  по своим конечным последствиям, чем организмы, взятые в целом.  Облик Земли как небесного  тела фактически сформирован  жизнью;

4) основная  роль биосферы состоит в трансформации  солнечной энергии в действенную  энергию Земли. Космическая энергия  вызывает развитие жизни, которое  достигается размножением;

5) правило  инерции заключается в распространении  жизни по земной поверхности  из-за проявления ее геохимической  энергии. Мелкие организмы размножаются  гораздо быстрее, чем крупные;

6) закон  бережливости в использовании  живым веществом простых химических  тел утверждает, что раз вошедший  в организм элемент проходит  длинный ряд состояний и при  этом организм вводит в себя  только необходимое количество  элементов;

7) пределы  жизни определяются физико-химическими  свойствами соединений, строящих  организм, их неразрушимостью в  определенных условиях среды.  Максимальное поле жизни определяется  крайними пределами выживания  организмов. Верхний предел жизни  обуславливается лучистой энергией, присутствие которой исключает  жизнь и от которой предохраняет  озоновый щит. Нижний предел  связан с достижением высокой  температуры. Например, интервал  температуры жизни в 433° (от -252°С до +180°С) является предельным  тепловым полем;

8) жизнь  постепенно, медленно приспосабливаясь, захватила биосферу, и захват  этот не закончился. Поле устойчивости  жизни есть результат приспособленности  в ходе времени.

По В. И. Вернадскому, вещество биосферы разнородно по своему физико-химическому составу, а именно: 1) живое вещество — совокупность живых организмов; 2) биогенное вещество — непрерывный биогенный поток  атомов из живого вещества в косвенное  вещество биосферы и обратно; 3) косное вещество (атмосфера, газы, горные породы и пр.); 4) биокосное вещество, например, почвы, илы, поверхностные воды, сама биосфера, т. е. сложные закономерные косно-живые структуры; 5) радиоактивное вещество; 6) рассеянные атомы; 7) вещество космического происхождения.

Современная наука считает, что примерно 1 млрд. лет назад произошло разделений живых существ на два царства  — растений и животных. Различия между ними можно разделить на три группы: 1) по структуре клеток и их способности к росту; 2) по способу питания; 3) по способности  к движению.

У животных клеток есть центриоли, но нет хлорофилла и клеточной стенки, мешающей изменению  формы. Большинство растений необходимые  для жизни вещества получают в  результате поглощения минеральных  соединений. Животные питаются готовыми органическими соединениями, которые  создают растения в процессе фотосинтеза.

Классификация растений и животных построена в  соответствии с их отличительными признаками. Основной структурной единицей был  признан вид, а более высокие  уровни составили последовательно  род, отряд, класс.

Хотя  границы биосферы довольно узки, живые  организмы в их пределах распределены очень неравномерно. На большой высоте и в глубинах гидросферы и литосферы  организмы встречаются относительно редко. Жизнь сосредоточена главным  образом на поверхности Земли, в  почве и в приповерхностном слое океана. Общую массу живых организмов оценивают в 2,43х10¹²т. Биомасса организмов, обитающих на суше, на 99,2% представлена зелеными растениями и на 0,8% — животными и микроорганизмами. Напротив, в океане на долю растений приходится 6,3%, а на долю животных и микроорганизмов — 93,7% всей биомассы. Жизнь сосредоточена главным образом на суше. Суммарная биомасса океана составляет всего 0,03х10¹², или 0,13% биомассы всех существ, обитающих на Земле. В распределении живых организмов по видовому составу наблюдается важная закономерность. Из общего числа видов 21% приходится на растения, но их вклад в общую биомассу составляет 99%. Среди животных 96% видов — беспозвоночные и только 4% — позвоночные, из которых десятая часть — млекопитающие. Масса живого вещества составляет всего 0,01-0,02% от косного вещества биосферы, однако она играет ведущую роль в геохимических процессах. Вещества и энергию, необходимую для обмена веществ, организмы черпают из окружающей среды. Ограниченные количества живой материи воссоздаются, преобразуются и разлагаются. Ежегодно, благодаря жизнедеятельности растений и животных, воспроизводится около 10% биомассы. Кроме растений и животных, В. И. Вернадский включает в понятие "живое вещество" и человечество, влияние которого на геохимические процессы отличается от воздействия остальных живых существ, во-первых, своей интенсивностью, увеличивающейся с ходом геологического времени; во-вторых, тем воздействием, какое деятельность людей оказывает на остальные живые существа.

Жизнь на Земле ныне полностью зависит  от фотосинтеза. Фиксируя энергию солнечного света в продуктах фотосинтеза, растения выполняют космическую  роль энергетического очага на Земле. Под фотосинтезом понимается превращение  зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами при участии энергии  света и поглощающих свет пигментов  простейших соединений в сложные  органические вещества, необходимые  для жизнедеятельности всех организмов. При этом растения усваивают из атмосферы  до 170 млрд т углекислого газа и  разлагают до 130 млрд т воды, выделяя  до 115 млрд т свободного кислорода.

Таким образом, все биотические компоненты экосистемы разделены на три основные группы: продуценты, консументы, или потребители, и редуценты, или разрушители. Все  живые организмы, так или иначе, используя друг друга, образуют гигантский биологический круговорот биосферы. Этот круговорот не полностью замкнут: кроме энергетического входа  он имеет и выход — часть  отмирающего органического вещества после разложения микроорганизмами — минерализаторами может попадать в водные растворы и откладываться  в виде осадочных пород, а другая часть образует отложения таких  биогенных пород, как каменный уголь, торф, сапропель и т. п.

В этом большом  биогеохимическом круговороте вещества и энергии выделяется целый ряд  более частных круговоротов веществ  — воды, углерода, кислорода, азота, серы, фосфора и др., в ходе которых  происходит обмен химических элементов  между живыми организмами и неорганической средой. Существование этих биогеохимических круговоротов определяет облик современных  экосистем, устойчивость и саморегуляцию  биосферы в целом. Поэтому как  бы сложны и многообразны ни были проявления жизни на Земле, все формы жизни  связаны между собой через  круговорот вещества и энергии.

2. Популяция, ее структура и динамика

Популяция (populus – от лат. народ. население) –обозначает  совокупность особей одного вида, которая  обладает общим генофондом и имеет  общую территорию. Она является первой надорганизменной биологической системой. С экологических позиций четкого  определения определение популяции  еще не выработано. Наибольшее признание  получила трактовка С.С. Шварца, популяция  – группировка особей, которая  является формой существования вида и способна самостоятельно развиваться  неопределенно долгое время.

  Основным свойством популяций, как и других биологических систем является то, что они находятся в беспрерывном движении, постоянно изменяются. Это отражается на всех параметрах: продуктивности, устойчивости, структуре, распределении в пространстве. Популяциям присущи конкретные генетические и экологические признаки, отражающие способность систем поддерживать существование в постоянно меняющихся условиях: рост, развитие, устойчивость. Наука, объединяющая генетические, экологические и эволюционные подходы к изучению популяций, известна как популяционная биология.

Типы  популяций. Популяции могут занимать разные по размеру площади и условия  обитания в пределах местообитания  одной популяции тоже могут быть не одинаковы. По этому признаку выделяют три типа популяций (рис.1): элементарную, экологическую, географическую.

Элементарная (локальная) популяция – это совокупность особей одного вида, занимающих небольшой  участок однородной площади. Между  ними постоянно идет обмен генетической информацией.

Экологическая популяция – совокупность элементарных популяций, внутривидовые группировки, приуроченные к конкретным биоценозам. Растения одного вида в ценозе называются ценопопуляцией. Обмен генетической информацией между ними происходит достаточно часто.

Географическая  популяция – совокупность экологических  популяций, заселивших географически  сходные районы. Географические популяции  существуют автономно, ареалы их относительно изолированы, обмен генами происходит редко – у животных и птиц –  во время миграций, у растений –  при разносе пыльцы, семян и  плодов. На этом уровне происходит формирование географических рас, разновидностей, выделяются подвиды.

Динамика, численность  популяции, и ее структура (возрастной, половой состав) являются ее важнейшими характеристиками.

Под демографической  структурой популяции понимают прежде всего ее половой и возрастной состав. Кроме того, принято говорить о пространственной структуре популяции - то есть об особенностях размещения особей популяции в пространстве.

Знание  структуры популяции позволяет  исследователю сделать выводы о  ее благополучии или неблагополучии. Например, если в популяции отсутствуют  генеративные (то есть способные дать потомство) особи и при этом много  старовозрастных (сенильных) особей, то можно сделать неблагоприятный  прогноз. У такой популяции может  не быть будущего. Структуру популяции  желательно изучать в динамике: зная ее изменение в течение нескольких лет, можно намного более уверенно говорить о тех или иных тенденциях.

Возрастная  структура популяции. Этот тип структуры  связан с соотношением особей различных  возрастов в популяции. Особи  одного возраста принято объединять в когорты, то есть возрастные группы.

Возрастная  структура популяций растений описана  очень подробно. В ней выделяют (по Т.А. Роботнову) следующие возрасты (возрастные группы организмов):

латентный период - состояние семени;

прегенеративный период (включает состояния проростка, ювенильного растения, имматурного  растения и виргинильного растения);

генеративный  период (обычно подразделяется на три  подпериода - молодых, зрелых и старых генеративных особей);

постгенеративный  период (включает состояния субсенильного  растения, сенильного растения и фазу отмирания).

Разумеется, при этом возникает проблема соотношения  календарного и биологического возраста. Принадлежность к определенному  возрастному состоянию определяется по степени выраженности определенных морфологических (например, степень  расчлененности сложного листа) и физиологических (например, способность дать потомство) признаков. Таким образом фиксируется, прежде всего, биологический возраст  особи. Биологический возраст имеет  для эколога большее значение, так как именно он определяет роль особи в популяционных процессах. В то же время, как правило, существует взаимосвязь между биологическим  и календарным возрастом.

В популяциях животных также можно выделить различные  возрастные стадии. Например, насекомые, развивающиеся  с полным метаморфозом, проходят стадии яйца, личинки, куколки, имаго (взрослого насекомого). У других животных (развивающихся без метаморфоза) также можно выделить различные  возрастные состояния, хотя границы  между ними могут быть и не настолько  четкими.

Характер  возрастной структуры (или как говорят, возрастного спектра) популяции  зависит от типа так называемой кривой выживания, свойственной данной популяции. Кривая выживания отражает уровень  смертности в различных возрастных группах. Так, если уровень смертности не зависит от возраста особей, то кривая выживания представляет собой снижающуюся  линию. То есть отмирание особей происходит в данном типе равномерно, коэффициент  смертности остается постоянным на протяжении всей жизни. Такая кривая выживания  свойственна видам, развитие которых  происходит без метаморфоза при  достаточной устойчивости рождающегося потомства. Этот тип принято называть типом гидры - для нее свойственна  кривая выживания, приближающаяся к  прямой линии.

У видов, для которых роль внешних факторов в смертности невелика, кривая выживания  характеризуется небольшим понижением до определенного возраста, после  которого происходит резкое падение  в следствие естественной (физиологический) смертности.

Для очень  многих видов характерна высокая  смертность на ранних стадиях онтогенеза. У таких видов кривая выживания  характеризуется резким падением в  области младших возрастов. Особи, пережившие "критический" возраст, демонстрируют низкую смертность и  доживают до больших возрастов. Тип  носит название типа устрицы. Тип III на рисунке.

Изучение  кривых выживания представляет большой  интерес для эколога. Оно позволяет  судить о том, в каком возрасте тот или иной вид наиболее уязвим. Если действие причин, способных изменить рождаемость или смертность, приходится на наиболее уязвимую стадию, то их влияние  на последующее развитие популяции  будет наибольшим. Эту закономерность необходимо учитывать при организации  охоты или в борьбе с вредителями.

Половая структура  популяции. О половой структуре  популяции можно говорить, разумеется, только если речь идет о раздельнополом (бисексуальном) виде. Бисексуальность  играет огромную роль в поддержании  генетической разнокачественности  особей популяции. Значение генетической разнокачественности для устойчивости популяции будет подробно раскрыто в следующем уроке. Сейчас же отметим, что половая структура, то есть соотношение  полов, имеет прямое отношение к  воспроизводству популяции и  ее устойчивости.

Принято выделять первичное, вторичное и  третичное соотношение полов  в популяции. Первичное соотношение  полов определяется генетическими  механизмами - равномерностью расхождения  половых хромосом. Например, у человека XY-хромосомы определяют развитие мужского пола, а XX - женского. В этом случае первичное  соотношение полов 1:1, то есть равновероятно. Вторичное соотношение полов - это  соотношение полов на момент рождения (среди новорожденных). Оно может  существенно отличаться от первичного по целому ряду причин: избирательность  яйцеклеток к сперматозоидам, несущим X- или Y-хромосому, неодинаковой способностью таких сперматозоидов к оплодотворению, различными внешними факторами.

Третичное соотношение полов - это соотношение  полов среди взрослых животных.

Пространственная  структура популяции. Пространственная структура популяции отражает характер размещение особей в пространстве.

Выделяют  три основных типа распределения  особей в пространстве:

- единообразное  (особи размещены в пространстве  равномерно, на одинаковых расстояниях друг от друга), тип также носит название равномерного распределения;

- конгрегационное,  или мозаичное (то есть "пятнистое", особи размещаются в обособленных  скоплениях);

- случайное,  или диффузное (особи распределены  в пространстве случайным образом).

Равномерное распределение встречается в  природе редко и чаще всего  вызвано острой внутривидовой конкуренцией (как, например, у хищных рыб).

Случайное распределение можно наблюдать  только в однородной среде и только у видов, которые не обнаруживают никакого стремление к объединению  в группы. Как хрестоматийный пример равномерного распределения, обычно приводят распределение жука Tribolium в муке.

Распределение группами встречается намного чаще. Оно связано с особенностями  микросреды или с особенностями  поведения животных. Пространственная структура имеет важное экологическое  значение. Прежде всего, определенный тип использования территории позволяет  популяции эффективно использовать ресурсы среды и снизить внутривидовую  конкуренцию. Эффективность использования  среды и снижение конкуренции  между представителями популяции  позволяют ей укрепить свои позиции  по отношению к другим видам, населяющим данную экосистему.

Другое,  важное значение пространственной структуры  популяции состоит в том, что  она обеспечивает взаимодействие особей внутри популяции. Без определенного  уровня внутрипопуляционных контактов  популяция не сможет выполнять как  свои видовые функции (размножение, расселение), так и функции, связанные  с участием в экосистеме (участие  в круговоротах веществ, создание биологической  продукции и так далее).

Динамика  популяций  - это процессы изменений  ее основных биологических характеристик  во времени. Главное значение при  изучении динамики популяции придается  изменениям численности, биомассы и  популяционной структуры.

Динамика  популяций - одно из наиболее значимых биологических и экологических  явлений. Можно сказать, что жизнь  популяции проявляется в ее динамике. Популяция не может существовать без постоянных изменений, за счет которых  она как бы приспосабливается  к постоянно происходящим изменениям внешних условий. Колебания численности  многих видов растений и животных характеризуются широким размахом. В годы минимального и максимального  обилия численность таких популяций  может различаться в десятки, сотни, а иногда и тысячи раз. В  определенной мере особенности динамики популяции раскрывает процесс роста ее численности, например, после перенесенной катастрофы или при заселении организмами свободных экологических ниш.

Популяциям  первого типа соответствуют такие  случаи, когда число потомков, производимых каждым организмом, выражается постоянной величиной. Это бывает у некоторых  одноклеточных организмов, которые  при благоприятных летних условиях начинают размножаться делением. Рост их численности происходит в геометрической прогрессии. Таким типом роста  обладают популяции и некоторых  видов животных, особенно мелких ракообразных, живущих в водной толще, у которых  очень короткий цикл развития и простая  возрастная структура. Столь стремительный  рост, конечно, не может продолжаться долго. Рано или поздно свободные  ресурсы будут исчерпаны и  рост популяции прекратится. А так  как популяции с простой структурой (то есть имеющие склонность к «Т-образному  типу роста) довольно чувствительны  к изменениям внешних условий, их последующая динамика имеет форму  резких скачкообразных изменений: короткие периоды быстрого возрастания численности  чередуются ее резкими падениями  из-за нарушения условий жизни. Жизнь  популяций такого типа характеризует  одна важная особенность: они способны почти мгновенно реагировать  на улучшение экологических условий  и максимально использовать свободные  ресурсы. В основе роста популяций  второго типа лежат иные механизмы. Когда численность популяции  мала, ее рост происходит с возрастающей скоростью, но одновременно происходит сокращение пространства для жизни. И чем меньше его остается, тем  сильнее снижается скорость роста, падая постепенно почти до нулевых  значений. Такой тип роста характерен для организмов, имеющих продолжительный  цикл развития, популяции которых  отличаются сложной возрастной структурой. Популяции такого типа более устойчивы  к внешним воздействиям. Поэтому  при завершении роста их динамика проходит в форме медленных колебаний  с малой амплитудой, или плавных  волн, изменений численности.

Популяции второго типа не имеют возможностей быстро реагировать на улучшение  условий жизни, зато они более  устойчивы к неблагоприятным  воздействиям внешних факторов. Колебания  численности популяций могут  быть вызваны различными факторами  и проявляться по-разному. Они  могут быть регулярными, то есть циклическими, или нерегулярными, то есть хаотическими. Циклические в отличие от хаотических  содержат в себе элементы, повторяющиеся  через равные промежутки времени (например, через каждые 10 лет численность  популяции достигает определенной максимальной величины). Возникновение  циклических колебаний связывают  с действием механизмов популяционной регуляции. Причины, вызывающие колебания численности популяций, могут заключаться в них самих - тогда говорят о внутренних факторах популяционной динамики. Иногда циклические колебания численности популяций можно объяснить сложными взаимодействиями между популяциями различных видов животных и растений в сообществах.

3. Население Земли и пищевые ресурсы.

Мы живем  в необычное время. Население  Земли, составляющее сейчас почти шесть  миллиардов человек (в 1960 г. оно приближалось еще только к трем миллиардам!), растет с невиданной быстротой: ежегодный  прирост (рождаемость за вычетом  смертности) достигает 1,8%. При таком  росте населения ежегодно появляется 72 млн. новых едоков. Ежедневный прирост  составляет около 200 000 человек, а это  значит, что каждую секунду появляются два новых рта, которые нужно  кормить (точнее, 2,3). Более того, растет не только общее число жителей  Земли, но увеличивается и ежегодный  прирост населения. По мере того как  совершенствуется и распространяется здравоохранение, снижается смертность, а следовательно, и сама скорость роста населения тоже растет. Мы вправе, таким образом, ожидать, что  население Земли будет удваиваться  приблизительно каждые 35 лет. Если допустить, что такие темпы сохранятся на протяжении ближайшего тысячелетия, то это будет означать, что к его  исходу общая масса всех людей  на Земле сравняется с массой самой  планеты. Очевидно, что-то должно измениться, прежде чем эта «популяционная бомба» погубит всех нас.

Поскольку все животные, а следовательно, и  человек снабжаются «метаболическим  горючим» за счет солнечной энергии, улавливаемой зелеными растениями, любые  расчеты с целью выяснить, сколько  людей может прокормить Земля, должны исходить из количества энергии, связываемой  в процессе фотосинтеза. Выше мы уже  сказали, что ежегодно в процессе фотосинтеза связывается около 200 млрд. т углерода. Можно ли увеличить  это количество, и если можно, то насколько? Ясно, что как бы мы ни старались расширить площади  наших сельскохозяйственных угодий, даже и геркулесовы усилия вряд ли позволят нам увеличить возделываемые  земли более чем вдвое. Однако даже и в этом случае продуктивность не удвоится, потому что лучшие земли  давно уже заняты. Оценки продуктивности фотосинтеза по большей части  приводят к выводу, что очень существенный вклад в общий итог вносят воды земного шара; не менее 50%, а может  быть, и до 80% всего фотосинтеза  протекает в морях и в пресных  водах. Нельзя ли в таком случае начать «возделывать» моря или, например, выращивать для пищевые целей различные  водоросли в обширных, специально для этого удобряемых «морских огородах»? Правда, пока это представляется нам  неосуществимым с экономической точки зрения. Однако со временем, когда мир будет переполнен голодными людьми, нечто подобное может оказаться попросту необходимым. Совершенно ясно, что этот новый тип хозяйствования потребует всех наших ботанических знаний и умений и что им суждено сыграть в этом деле самую важную роль.