Экологическая система, основные компоненты экологической системы

Вопрос 1. Экологическая система, основные компоненты экологической системы.

    Экологическая система -  закрытая, функционально  единая совокупность организмов (растений, животных и микроорганизмов), населяющих общую территорию и способных  к длительному существованию при полностью замкнутом круговороте веществ (т. е. при отсутствии материалного обмена через её границы).

    Принцип экологической системы используется при разработке биологических систем жизнеобеспечения человека в условиях изоляции от биосферы Земли, например в космических или подводных аппаратах. Основу такой искусственно создаваемой экологической системы составляют растения, которые за счёт энергии света в процессе фотосинтеза поглощают двуокись углерода и выделяют кислород, т. е. осуществляют регенерацию атмосферы. Биомасса растений используется в пищу человеком и др. гетеротрофными организмами , которые, в свою очередь, могут входить в пищевой рацион человека. Неиспользованная биомасса растений, продукты жизнедеятельности человека и других компонентов Биокомплекса разлагаются микроорганизмами до воды, двуокиси углерода и минеральных веществ, которые вновь используются растениями. Созданы экспериментальные  экологические системы включающие человека, одноклеточные водоросли, высшие растения (капуста, морковь, свёкла, томат, пшеница и др.), микроорганизмы — минерализаторы. За счёт регенерации в таких экологических системах полностью обеспечивалась потребность человека в кислороде, воде и до 20% в пище.  

           Основные компоненты экосистемы.

    С точки зрения структуры в экосистеме выделяют:

1. климатический режим, определяющий температуру, влажность, режим освещения и прочие физические характеристики среды;
2. неорганические вещества, включающиеся в круговорот;
3. органические соединения, которые связывают биотическую и абиотическую части в круговороте вещества и энергии;
4. продуценты — организмы, создающие первичную продукцию;
5. макроконсументы, или фаготрофы, — гетеротрофы, поедающие другие организмы или крупные частицы органического вещества;
6. микроконсументы (сапротрофы) — гетеротрофы, в основном грибы и бактерии, которые разрушают мёртвое органическое вещество, минерализуя его, тем самым возвращая в круговорот.

    Последние три компонента формируют биомассу экосистемы.

    С точки зрения функционирования экосистемы выделяют следующие функциональные блоки организмов (помимо автотрофов):

1. биофаги — организмы, поедающие других живых организмов,
2. сапрофаги — организмы, поедающие мёртвое органическое вещество.

    Данное  разделение показывает временно-функциональную связь в экосистеме, фокусируясь на разделении во времени образования органического вещества и перераспределении его внутри экосистемы (биофаги) и переработки сапрофагами.  Между отмиранием органического вещества и повторным включением его составляющих в круговорот вещества в экосистеме может пройти существенный промежуток времени, например, в случае соснового бревна, 100 и более лет.

    Все эти компоненты взаимосвязаны в  пространстве и времени и образуют единую структурно-функциональную систему.

    Экотоп

      Изливающаяся в океан лава на острове Гавайи формирует новый прибрежный экотоп

    Обычно  понятие экотоп определялось как  местообитание организмов, характеризующееся  определённым сочетанием экологических  условий: почв, грунтов, микроклимата и  др. Однако, в этом случае это понятие  фактически почти идентично понятию климатоп.

    На  данный момент под экотопом в отличие  от биотопа понимается определённая территория или акватория со всем набором и особенностями почв, грунтов, микроклимата и других факторов в неизменённом организмами виде. Примерами экотопа могут служить наносные грунты, новообразовавшиеся вулканические или коралловые острова, вырытые человеком карьеры и другие заново образовавшиеся территории. В этом случае климатоп является частью экотопа.

    Климатоп

      Зонирование территорий по типу климата (по Лесли Холдриджу)

    Изначально  «климатоп» был определён В. Н. Сукачёвым (1964) как воздушная часть биогеоценоза, отличающаяся от окружающей атмосферы  своим газовым составом, особенно концентарией углекислого газа в  приземном биогоризонте, кислорода там же и в биогоризонтах фотосинтеза, воздушным режимом, насыщенностью биолинами, уменьшенной и изменённой солнечной радиацией и освещённостью, наличием люминесценции растений и некоторых животных, особым тепловым режимом и режимом влажности воздуха.

    На  данный момент это понятие трактуется чуть более широко: как характеристика биогеоценоза, сочетание физических и химических характеристик воздушной  или водной среды, существенных для  населяющих эту среду организмов. Климатоп задаёт в долговременном масштабе основные физические характеристики существования животных и растений, определяя круг организмов, которые могут существовать в данной экосистеме.

    Эдафотоп

    Под эдафотопом обычно понимается почва  как составной элемент экотопа. Однако более точно это понятие следует определять как часть косной среды преобразованной организмами, то есть не всю почву, а лишь её часть. Почва (эдафотоп) является важнейшей составляющей экосистемы: в нём происходит замыкание циклов вещества и энергии, осуществляется перевод из мёртвого органического вещества в минеральные и их вовлечение в живую биомассу.  Основными носителями энергии в эдафотопе выступают органические соединения углерода, их лабильные и стабильные формы, они в наибольшей степени определяют плодородие почв.

      Биоценоз, представленный в схематичном виде как пищевая сеть и его биотоп

    Биотоп

    «Биотоп»  — преобразованный биотой экотоп или, более точно, участок территории, однородный по условиям жизни для  определённых видов растений или  животных, или же для формирования определённого биоценоза.

    Биоценоз

    Биоценоз  — исторически сложившаяся совокупность растений, животных, микроорганизмов, населяющих участок суши или водоёма (биотоп). Не последнюю роль в формировании биоценоза играет конкуренция и  естественный отбор. Основная единица биоценоза — консорция, так как любые организмы в той или иной степени связаны с автотрофами и образуют сложную систему консортов различного порядка, причём это сеть является консортом всё большего порядка и может косвенно зависеть от всё большего числа детерминантов консорций.

    Также возможно разделение биоценоза на фитоценоз  и зооценоз. Фитоценоз — это  совокупность растительных популяций  одного сообщества, которые и формируют  детерминантов консорций. Зооценоз—  это совокупность популяций животных, которые и являются консортами различного порядка и служат механизмом перераспределения вещества и энергии внутри экосистемы (см. функционирование экосистем).

    Биотоп  и биоценоз вместе формируют биогеоценоз/экосистему. 

Вопрос 2. Популяция, её структура  и динамика.

    Все живые организмы существуют только в форме популяций.  Популяция  - это совокупность особей одного вида, населяющих определенное пространство, внутри которого осуществляется та или  иная степень обмена генетической информацией, и воспроизводящая себя в течение большого числа поколений.

       Каждая популяция имеет определенную  структуру:

1. возрастную  (соотношение особей разного возраста);
2. сексуальную (соотношение полов);
3. пространственную (колонии, семьи, стаи и т.д.).

      Кроме того, каждая популяция  имеет определенную численность и амплитуду колебаний этой численности. Структура популяции, ее численность и динамика численности определяются экологической нишей данного вида и конкретно – соответствием условий места обитания (факторов среды) требованиям толерантности слагающих популяцию организмов. Поэтому, влияя на животный или растительный мир, человек всегда воздействует на популяции, меняет их параметры и структуру, зачастую нарушая их соответствие реальным режимам экологических факторов, иногда это может привести к гибели популяции. Типичный пример – резкое уменьшение численности некоторых животных, которых сейчас заносят в "Красную книгу” и рассматривают как исчезающих или находящихся на грани уничтожения.

      Следовательно, охрана живой природной среды заключается в сохранении режимов экологических факторов, при которых не разрушаются экологические ниши, обеспечивается нормальное функционирование популяции живых организмов, соответствие их состава и структуры конкретным условиям места обитания.

      В любой природной системе поддерживается та  численность особей в популяциях обитающих животных и растений, которая в наибольшей степени соответствует интересам воспроизводства. Численность зависит от постоянно действующих экологических факторов.

      Численность (или объем популяции) выражается определенным количеством особей. Популяции могут быть разной степени численности: у одних видов они представлены десятками экземпляров, у других – десятками тысяч. Популяции бактерий в активном иле состоят из миллиардов особей.

      Для того чтобы сравнить численность  отдельных популяций или изменение  численности одной и той же  популяции в разные отрезки  времени пользуются таким относительным  показателем, как плотность. Плотность  - это численность популяции, отнесенная  к единице занимаемого ею пространства или среднее число особей на единицу площади или объема.

      Зная изменение плотности во  времени или пространстве, можно  установить, увеличивается или уменьшается  численность особей, представляет  или нет данная популяция угрозу  хозяйственным интересам (хотя иногда для этого нужны дополнительные данные).

      Динамика плотности популяций отражает сложные закономерности взаимоотношений между различными животными, между животными и растениями, поскольку все они являются биологическими факторами по отношению друг к другу. Плотность может также зависеть и от колебаний абиотических факторов среды. Плотность популяции – видоспецифический показатель, для каждого вида существуют оптимальные пределы плотности его популяций. Варьирование плотности в объеме каждой популяции зависит от всего комплекса биотических и абиотических факторов окружающей среды.

      Численность и плотность популяции  – не случайные величины, они  предопределены не только режимами  экологических факторов в данное  время, но и всем предшествующим развитием данной популяции. Численность живых организмов не бывает постоянной, а всегда колеблется в более или менее широких пределах. Знание  закономерностей динамики численности популяций  необходимо для прогнозирования возможных нежелательных явлений и внесения коррективов в эту динамику с целью управления ею.

      Изменение численности особей в популяции влияет на плотность. В конкретный момент времени численность особей в популяции отражает ее рождаемость и смертность, в зависимости от соотношения этих показателей говорят о  балансе популяции.  Если рождаемость выше смертности, то популяция численно растет, и наоборот.

      Под рождаемостью понимают численно  выраженную способность популяции  к увеличению. Эта способность  зависит от многих факторов: числа самок в популяции, количество половозрелых особей, плодовитости, числа поколений в году, условий размножения и др. Смертность, как и рождаемость, можно выразить в количестве особей, погибших за определенный отрезок времени. Но обычно говорят о выживаемости, которая фактически и характеризует состояние популяции. Под  выживаемостью  понимают долю особей в популяции, доживших до определенного момента времени или до возраста размножения.

      Теоретически скорость естественного роста популяции в нелимитированной какими-либо факторами среде характеризуется экспоненциальным законом. (рис. 7)

Рис. 7.  Некоторые типы динамики популяций:

А – j-образная кривая экспоненциального роста.

Б – s-образная (логистическая кривая)

В – экспоненциальный рост и падение численности (N)

М и К – нижний и верхний пределы возможной численности (N). 

      Реально этот закон не соблюдается, и беспредельный экспоненциальный рост численности популяций невозможен. Всегда существует некоторая предельно высокая численность популяции (К), при достижении которой вступают в действие ограничительные механизмы (например, нехватка пищи, паразиты, заболевания).

          В этом случае возможны два варианта дальнейшей динамики данной популяции:

    В первом случае – численность стабилизируется.

    В другом случае после достижения предела (К)  наступает массовая гибель особей, возвращающая численность популяции к некоторому нижнему пределу, после чего нарастание может начаться вновь.

      Подобные колебания численности с правильной периодичностью типичны для многих животных. Численность популяций разных видов во времени изменяется неодинаково. Существуют два основных типа динамики популяции: периодический и непериодический.

      Периодические колебания происходят под влиянием закономерно меняющихся факторов внешней среды, а также связаны с особенностями, присущими самой популяции. Например, четко периодичные вспышки массового размножения некоторых насекомых, представляющих серьезную опасность для сельского и лесного хозяйства. Такие колебания принято называть осцилляциями. Однако, под влиянием динамики абиотических факторов численность особей в популяции не остается постоянной и колеблется во времени, хотя и без правильной периодичности. В этих случаях принято говорить о флуктуациях численности. На динамику популяций существенное влияние оказывают и антропогенные воздействия (как правило, непериодические), отклоняя сложившиеся исторически типы от установившейся нормы. Такими воздействиями могут быть тепловое загрязнение, внесение чужеродных для организмов химических веществ, естественно не входящих в биотический круговорот и прямо или косвенно порожденных хозяйственной деятельностью человека (ксенобиотики), нарушение режимов экологических факторов.  

Вопрос 3. Население земли  и пищевые ресурсы.

    Мы  живем в необычное время. Население Земли, составляющее сейчас больше семи 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.

    Еще один путь к увеличению производства пищи — это улучшение самих растений. В этом направлении уже многого удалось достичь на основе развития агрономической науки и той «зеленой революции», в которой ботаники принимают самое активное участие. Селекционеры создают новые улучшенные сорта культурных растений, и число таких сортов неуклонно растет; фитофизиологи учат нас тому, как следует удовлетворять потребности растений в питательных веществах, как можно соответствующим образом влиять на рост растений и как с помощью специальных химических средств уничтожать сорняки; фитопатологи и энтомологи разрабатывают способы защиты от патогенных грибов и от насекомых-вредителей; почвоведы учат, как сохранять и обогащать сложную почвенную среду —смесь измельченных горных пород, органических веществ и почвенных микроорганизмов; наконец, агрономы заботятся о том, чтобы сельское хозяйство велось достаточно эффективно. Возможно, со временем мы постигнем механизм фотосинтеза настолько хорошо, что научимся регулировать этот процесс и повышать его эффективность в растении или даже успешно осуществлять его вне живой клетки. Новые перспективы, открывающиеся в области дальнейшего улучшения растений, мы еще обсудим ниже.

    Приходится  признать, однако, что, даже если на Земле  и будет производиться больше пищи, весь выигрыш от этого все равно сведется на нет неограниченным ростом населения. К чему добиваться удвоения продуктивности сельского хозяйства, коль скоро уже через 35 лет эффект от этих усилий окажется равным нулю, поскольку удвоится и число ртов, которые нужно будет кормить? Совершенно ясно, что рано или поздно человечество вынуждено будет решать вопрос о том, сколько людей может быть обеспечено всем необходимым за счет ресурсов, •которыми располагает Земля; а затем потребуется изыскивать способы, которые позволили бы удерживать численность населения на этом уровне. И хотя мы, конечно, столкнемся на этом пути с множеством всевозможных проблем — религиозных, политических и социальных, — росту населения в конце концов будет положен предел либо на основе мирных, сознательно планируемых мероприятий, либо среди насилия и хаоса, порожденных голодом, эпидемиями или войной. 

Вопрос 4. Атомная энергия  и окружающая среда.

    Атомная энергия - энергия, выделяющаяся в процессе превращения атомных ядер. Источником атомной энергии является внутренняя энергия атомного ядра. Более точное название атомной энергии - ядерная энергия. Различают два получения ядерной энергии:

    - осуществление  ядерной цепной реакции деления  тяжелых ядер;

    - осуществление  термоядерной реакции синтеза  легких ядер.

    Мировые запасы урана иссякают. Об истощении  природных ресурсов в наше время  знает даже ребёнок. И действительно, запасы многих полезных ископаемых стремительно иссякают. Запасы урана в настоящее  время оцениваются как "относительно ограниченные", но это не так уж и мало. Для сравнения, урана столько же, сколько олова и в 600 раз больше, чем золота. По предварительной оценке учёных, запасов этого радиоактивного метала должно хватить человечеству на ближайшие 500 лет. К тому же современные реакторы могут использовать в качестве топлива торий, а его мировые запасы в свою очередь превышают запасы урана в 3 раза.

    Атомная энергия крайне отрицательно воздействует на окружающую среду. Представители  различных антиатомных кампаний часто заявляют, что атомная энергия содержит "скрытые эмиссии" газов, которые оказывают отрицательное воздействие на окружающую среду. Но по всем современным сведениям и подсчетам атомная энергия даже по сравнению с солнечной или гидроэнергией, которые считаются практически экологически безвредными, содержит достаточно низкий уровень углерода.

    Ветровая  и энергия волн гораздо менее  вредны с точки зрения экологии. В действительности же ветряные станции  строятся или уже построены на важнейших прибрежных участках, и  само строительство уже определенно загрязняет окружающую среду. А строительство волновых станций еще является экспериментальным, и его влияние на окружающую среду точно не известно, поэтому их сложно назвать намного более экологически устойчивыми по сравнению с атомной энергией.

    На  территории нахождения атомных реакторов  выше уровень заболевания лейкемией. Уровень заболевания лейкемией  среди детей в близости от АЭС  не выше чем, например, в районах  около так называемых, органических ферм. Территория распространения этого  заболевания может охватить как территорию вокруг атомной станции, так и национальный парк, степень опасности абсолютно одинакова.

    Атомные реакторы производят слишком много  отходов. На самом деле атомная энергия  производит минимальное количество отходов, вопреки заявлениям защитников окружающей среды. Земля вовсе не заполнена радиоактивными отходами. Современные технологии производства атомной энергии позволят свести к минимуму долю от общего количества радиоактивных отходов в течение ближайших 20-40 лет.

    Атомная энергия способствует распространению в мире оружия. Увеличение количества атомных станций приведет как раз к сокращению распространения оружия. Атомные боеголовки производят реакторное топливо очень хорошего качества, а реакторные боеголовки производят около 15% мирового ядерного топлива. Возрастающий спрос на реакторное топливо, как предполагается, "отвлечет" подобные боеголовки от потенциальных террористов.

    Террористы  выбирают атомные реакторы в качестве мишеней. После трагедии 11 сентября 2001 года был проведен ряд научных исследований с целью определения вероятности нападения на атомные объекты. Однако последние британские исследование доказали, что атомные станции вполне способны "выдержать" даже налет Боинга 767-400. Новое поколение атомных реакторов будет сконструировано с усиленным уровнем защиты от потенциальных атак всех существующих самолетов, а также планируется введение специальных функций систем безопасности, которые могут активизироваться без вмешательства человека или компьютерного контроля.

    Атомная энергия является очень дорогостоящей. Спорное утверждение. По данным британского министерства торговли и промышленности, расходы на производство электричества атомными станциями, превышают лишь цены на газ, и в 10-20 раз меньше энергии, произведенной береговыми ветряными станциями. Кроме этого, 10% от общей стоимости атомной энергии приходится на уран, и атомная энергия не настолько подвержена постоянным колебаниям цен на такие виды топлива, как газ или нефть.

    Вывод атомной станции из эксплуатации обходится очень дорого. Подобное высказывание распространяется только на атомные станции, построенные ранее. Многие из существующих ныне атомных реакторов были построены без расчета на последующий вывод их из эксплуатации. Но при строительстве новых атомных станций этот момент уже будет учитываться. Однако стоимость вывода АЭС из эксплуатации будет входить в стоимость электричества, за которое платят потребители. Современные реакторы рассчитаны на работу в течение 40 лет, и сумма за вывод их из эксплуатации будет выплачиваться в течение этого длительного срока, а потому будет незначительно сказываться на цене электричества.

    Строительство АЭС занимает слишком долгое время. Это, пожалуй, самое немотивированное из всех заявлений антиатомных кампаний. Строительство АЭС занимает от 4 до 6 лет, что сопоставимо со сроками возведения "традиционных" электростанций. Модульное строение новых АЭС может несколько ускорить процесс возведения атомных электростанций.

    На  сегодняшний день ядерная энергетика и её влияние на окружающую среду являются самыми актуальными вопросами на международных съездах и собраниях. Особенно остро этот вопрос стал звучать после аварии на Чернобыльской атомной электростанции (ЧАЭС). На подобных съездах решаются вопросы, связанные с монтажными работами на АЭС. А также вопросы, затрагивающие состояние рабочего оборудования на данных станциях. Как известно работа атомных электростанций основывается на расщеплении урана на атомы. Поэтому добыча этого топлива для станций также является не маловажным вопросом на сегодняшний день. Многие вопросы, касающиеся атомных электростанций, так или иначе связаны с окружающей средой. Хотя работа атомных электростанций приносит большое количество полезной энергии, но, к сожалению, все «плюсы» в природе компенсируются своими «минусами». Атомная энергетика не исключение: в работе атомных электростанций сталкиваются с проблемами утилизации, хранения, переработки и транспортировки отходов. 

Вопрос 5. Нормирование качества воды в водоемах.

Нормирование  качества воды рек, озер и водохранилищ проводят в соответствии с «Санитарными правилами и нормами охраны поверхностных вод от загрязнения» (1988 г). Эти правила устанавливают две категории водоемов (или их участков):

1. водоемы питьевого и культурно-бытового назначения;
2. водоемы рыбо-хозяйственного назначения.

Состав и свойства воды водных объектов первого типа должны соответствовать нормам в  створах, расположенных в водотоках  на расстоянии 1 км выше ближайшего по течению, а в не проточных водоемах — в радиусе одного километра  от пункта водопользования.       Состав и свойства воды в рыбохозяйственных водоемах должен соответствовать нормам в месте выпуска сточных вод при рассеивающем выпуске (наличие течений), а при отсутствии рассеивающего выпуска — не далее, чем в 500 м от места выпуска.