Экологические пирамиды. 2

Экологические пирамиды — это графические модели (как правило, в виде треугольников), отражающие число особей (пирамида чисел), количество их биомассы (пирамида биомасс) или заключенной в них энергии (пирамида энергии) на каждом трофическом уровне и указывающие на понижение всех показателей с повышением трофического уровня.

Различают три типа экологических пирамид.

Пирамида чисел

Пирамида чисел (численностей) отражает численность отдельных организмов на каждом уровне. В экологии пирамида численностей используется редко, так как из-за большого количества особей на каждом трофическом уровне очень трудно отобразить структуру биоценоза в одном масштабе.

Чтобы уяснить, что такое пирамида чисел, приведем пример. Предположим, что в основании пирамиды 1000 т травы, массу которой составляют сотни миллионов отдельных травинок. Этой растительностью смогут прокормиться 27 млн кузнечиков, которых, в свою очередь, могут употребить в пищу около 90 тыс. лягушек. Сами лягушки могут служить едой 300 форелям в пруду. А это количество рыбы может съесть за год один человек! Таким образом, в основании пирамиды несколько сотен миллионов травинок, а на ее вершине — один человек. Такова наглядная потеря вещества и энергии при переходе с одного трофического уровня на другой.

Иногда случаются исключения из правила пирамид, и тогда мы имеем дело с перевернутой пирамидой чисел. Это можно наблюдать в лесу, где на одном дереве живут насекомые, которыми питаются насекомоядные птицы. Таким образом, численность продуцентов меньше, нежели консументов.

Пирамида биомасс

Пирамида биомасс - соотношение между продуцентами и консументами, выраженное в их массе (общем сухом весе, энергосодержании или другой мере общего живого вещества). Обычно в наземных биоценозах общий вес продуцентов больше, чем консументов. В свою очередь, общий вес консументов первого порядка больше, нежели консументов второго порядка, и т.д. Если организмы не слишком различаются по размерам, то на графике, как правило, получается ступенчатая пирамида с сужающейся верхушкой.

Американский эколог Р. Риклефс объяснял структуру пирамиды биомасс так: «В большинстве наземных сообществ пирамида биомасс сходна с пирамидой продуктивности. Если собрать все организмы, обитающие на каком-нибудь лугу, то вес растений окажется гораздо больше веса всех прямокрылых и копытных, питающихся этими растениями. Вес этих растительноядных животных в свою очередь будет больше веса птиц и кошачьих, составляющих уровень первичных плотоядных, а эти последние также будут превышать по весу питающихся ими хищников, если таковые имеются. Один лев весит довольно много, но львы встречаются столь редко, что вес их, выраженный в граммах на 1 м2, окажется ничтожным».

Как и в случае с пирамидами чисел, можно получить так называемую обращенную (перевернутую) пирамиду биомасс, когда биомасса продуцентов оказывается меньше, чем консументов, а иногда и редуцентов, и в основании пирамиды находятся не растения, а животные. Это касается в основном водных экосистем. Например, в океане при довольно высокой продуктивности фитопланктона общая масса его в данный момент может быть меньше, чем у зоопланктона и конечного потребителя-консумента (киты, крупные рыбы, моллюски).

Пирамида энергии

Пирамида энергии отражает величину потока энергии, скорость прохождения массы пищи через пищевую цепь. На структуру биоценоза в большей степени оказывает влияние не количество фиксированной энергии, а скорость продуцирования пищи.

Все экологические пирамиды строятся по одному правилу, а именно: в основании любой пирамиды находятся зеленые растения, а при построении пирамид учитывается закономерное уменьшение от ее основания к вершине численности особей (пирамида чисел), их биомассы (пирамида биомасс) и проходящей через пищевые цени энергии (пирамида энергии).

В 1942 г. американский эколог Р. Линдеман сформулировал закон пирамиды энергии, согласно которому с одного трофического уровня на другой через пищевые цени переходит в среднем около 10 % энергии, поступившей на предыдущий уровень экологической пирамиды. Остальная часть энергии тратится на обеспечение процессов жизнедеятельности. В результате процессов обмена организмы теряют в каждом звене пищевой цепи около 90 % всей энергии. Следовательно, для получения, например, 1 кг окуней должно быть израсходовано приблизительно 10 кг рыбьей молоди, 100 кг зоопланктона и 1000 кг фитопланктона.

Общая закономерность процесса передачи энергии такова: через верхние трофические уровни энергии проходит значительно меньше, чем через нижние. Вот почему большие хищные животные всегда редки, и нет хищников, которые питались бы, к примеру, волками. В таком случае они просто не прокормились бы, настолько волки немногочисленны.

В 1942 г. американский эколог Р. Линдеман сформулировал закон пирамиды энергий (закон 10 процентов), согласно которому с одного трофического уровня через пищевые цепи на другой трофический уровень переходит в среднем около 10% поступившей на предыдущий уровень экологической пирамиды энергии. Остальная часть энергии теряется в виде теплового излучения, на движение и т.д. Организмы в результате процессов обмена теряют в каждом звене пищевой цепи около 90% всей энергии, которая расходуется на поддержание их жизнедеятельности.

Если заяц съел 10 кг растительной массы, то его собственная масса может увеличиться на 1 кг. Лисица или волк, поедая 1 кг зайчатины, увеличивают свою массу уже только на 100 г. У древесных растений эта доля много ниже из-за того, что древесина плохо усваивается организмами. Для трав и морских водорослей эта величина значительно больше, поскольку у них отсутствуют трудноусвояемые ткани. Однако общая закономерность процесса передачи энергии остается: через верхние трофические уровни ее проходит значительно меньше, чем через нижние.

Рассмотрим превращение энергии в экосистеме на примере простой пастбищной трофической цепи, в которой имеется всего три трофических уровня.

1. уровень - травянистые растения,

2. уровень - травоядные млекопитающие, например, зайцы

3. уровень - хищные млекопитающие, например, лисы

Питательные вещества создаются в процессе фотосинтеза растениями, которые из неорганических веществ (вода, углекислый газ, минеральные соли и т.д.) с использованием энергии солнечного света образуют органические вещества и кислород, а также АТФ. Часть электромагнитной энергии солнечного излучения при этом переходит в энергию химических связей синтезируемых органических веществ.

Все органическое вещество, создаваемое в процессе фотосинтеза называется валовой первичной продукцией (ВПП). Часть энергии валовой первичной продукции расходуется на дыхание, в результате чего образуется чистая первичная продукция (ЧПП), которая и является тем самым веществом, которое поступает на второй трофический уровень и используется зайцами.

Пусть ВПП составляет 200 условных единиц энергии, а затраты растений на дыхание (R) - 50%, т.е. 100 условных единиц энергии. Тогда чистая первичная продукция будет равна: ЧПП = ВПП - R (100 = 200 - 100), т.е. на второй трофический уровень к зайцам поступит 100 условных единиц энергии.

Однако, в силу разных причин зайцы способны потребить лишь некоторую долю ЧПП (в противном случае исчезли бы ресурсы для развития живой материи), существенная же ее часть, в виде отмерших органических остатков (подземные части растений, твердая древесина стеблей, ветвей и т.д.) не способна поедаться зайцами. Она поступает в детритные пищевые цепи и (или) подвергается разложению редуцентами (F). Другая часть идет на построение новых клеток (численность популяции, прирост зайцев - Р) и обеспечение энергетического обмена или дыхания (R).

В этом случае, согласно балансовому подходу, балансовое равенство расхода энергии (С) будет выглядеть следующим образом:   С = Р + R + F, т.е. поступившая на второй трофический уровень энергия будет израсходована, согласно закону Линдемана, на прирост популяции - Р - 10%, остальные 90% будут израсходованы на дыхание и удаление неусвоенной пищи.

Таким образом, в экосистемах с повышением трофического уровня происходит быстрое уменьшение энергии, накапливаемой в телах живых организмов. Отсюда ясно почему каждый последующий уровень всегда будет меньше предыдущего и почему цепи питания обычно не могут иметь более 3-5 (редко 6) звеньев, а экологические пирамиды не могут состоять из большого количества этажей: к конечному звену пищевой цепи так же, как и к верхнему этажу экологической пирамиды, будет поступать так мало энергии, что ее не хватит в случае увеличения числа организмов.

Такая последовательность и соподчиненность связанных в форме трофических уровней групп организмов представляет собой потоки вещества и энергии в биогеоценозе, основу его функциональной организации. 

Мониторинг (от лат. мonitor - предостерегающий) - в широком смысле - специально организованное, систематическое наблюдение за состоянием объектов, явлений, процессов с целью их оценки, контроля или прогноза.

Мониторинг окружающей среды (экологический мониторинг) - информационная система постоянного наблюдения и регулярного контроля, проводимых по определенной программе для оценки текущего состояния окружающей природной среды, анализа всех происходящих в ней в данный период процессов, а также заблаговременного выявления возможных тенденций ее изменения (рис.1).

Рисунок 1 - Блок-схема системы мониторинга

Цели экологического мониторинга (ФЗ «Об охране окружающей среды»):

) наблюдение за  состоянием окружающей среды, в  том числе в районах расположения  источников антропогенного воздействия;

) наблюдение за  воздействием антропогенных источников  на окружающую среду;

) обеспечение потребностей  государства, юридических и физических  лиц в достоверной информации, необходимой для предотвращения  и (или) уменьшения неблагоприятных  последствий изменения состояния  окружающей среды.

Основные задачи экологического мониторинга окружающей природной среды. В экологической системе изначально предполагается постоянный и непрерывный круговорот веществ. Но процесс разложения различных отходов по времени происходит не одинаково. Если переработка некоторых отходов (бумага, ткани, органика и т.п.) не сложная или они самостоятельно и быстро разлагаются, то распад отходов, например, из металла, пластика, синтетических материалов, сильно замедлен или практически не происходит. Поэтому необходима их переработка, что в свою очередь требует определённых затрат.

Основная задача экологического мониторинга окружающей среды - это максимальное обеспечение систем управления экологической безопасности и природоохранной деятельности достоверной информацией, на основании которой могут быть произведены:

оценка показателей состояния и функциональной целостности окружающей природной среды.

выявление причин отклонения показателей состояния окружающей природной среды и оценка последствий таких изменения показателей.

определение и принятие решений для ликвидации причин отклонения показателей и обеспечение заблаговременного предупреждения негативных ситуаций.

Последовательность стадий мониторинга: измерение - анализ - описание - моделирование - оптимизация.

Методы мониторинга (контроля) 1 биоиндексация – это обнаружение и определение антропогенных нагрузок по реакциям на них живых организмов и их сообществ * если в лесу на стволах деревьев исчезают лишайники, значит в воздухе присутствует сернистый газ; * отсутствие стрекоз на берегу водоема говорит о его бедном фаунистическом составе  (результат загрязнения)  и т.п. Биоиндексация позволяет вовремя выявить еще не опасный уровень загрязнения и    принять меры по восстановлению экологического равновесия окружающей среды. 2  дистанционные методы используются для ведения глобального мониторинга – аэрофотосъемка позволяет определить масштабы и степень загрязнения при разливе нефти в море (или  ареал загрязнения снежного покрова вокруг городов и т.п.) Самолет «Ил-103» – уникальный самолет для выполнения практически любых задач экологического  мониторинга:  самолет оборудован контрольно-измерительной и телеметрической аппаратурой, спутниковой навигационной системой, системой спутниковой связи, интерактивным бортовым и наземным измерительно-регистрирующим комплексом.  Самолет может летать на высотах от 100 до 3000м. 3 физико-химические методы используются для мониторинга отдельных компонентов окружающей природной среды: почвы, воды, воздуха. Эти методы основаны на анализе отдельных проб. * атмосферное загрязнение анализируется газоанализаторами (автоматизированные приборы для дистанционного анализа сочетают лазер и локатор); * засоление почв определяют по значению электрической проводимости; содержание гумуса по окисляемости органического вещества; кислотность почв определяют по значению водородного показателя с помощью потенциометра; * загрязнение воды определяется химическим (ХПК) или биохимическим (БПК) потреблением кислорода, количество которого неодинаково расходуется на окисление веществ, содержащихся в загрязненной воде. Виды мониторинга: 1  по масштабам обобщения информации: * глобальный – слежение за мировыми процессами и явлениями в биосфере и осуществление прогноза возможных изменений * региональный – охватывает отдельные регионы, в которых наблюдаются процессы и явления, отличающиеся от естественных по природному характеру; * локальный –  слежение за природными процессами и явлениями в пределах какого-либо района (например: города); 2 по методам ведения: * биологический  (с помощью биоиндикаторов); * дистанционный (авиационный и космический); * аналитический (химический и физико-химический анализ); 3 по объектам наблюдения: * мониторинг отдельных компонентов окружающей среды (почвы, воды, воздуха); * мониторинг биологический (флоры и фауны); 4 базовый (фоновый) мониторинг – особый вид мониторинга – слежение за состоянием природных систем, на которые практически  не накладываются региональные антропогенные воздействия  (биосферные заповедники) Целью базового мониторинга является получение данных, с которыми сравниваются результаты, полученные другими видами мониторинга. 5 импактный мониторинг – особый вид мониторинга – проводится в особо опасных зонах, непосредственно примыкающих к источникам загрязняющих веществ. 
Постановлением Правительства РФ в ноябре 1993 года в России была создана Единая Государственная система экологического мониторинга (ЕГСЭМ). При проведении мониторинга необходимо решать задачи разного уровня. Академиком Герасимовым выделено три таких уровня.

Санитарно-гигиенический, или биоэкологический уровень. На этом уровне главное внимание уделяется.наблюдениям за состоянием окружающей среды с точки зрения ее влияния на здоровье населения. Учитываются показатели, отражающие реакцию человека на изменение среды обитания, то есть заболеваемость, смертность, рождаемость, продолжительность жизни, сохранение работоспособности человека и т. д.

Геосистемный уровень. Объектом наблюдения при этом является состояние природных и природно-технических систем. На этом уровне определяются: показатели массо- и энергообмена, биологической продуктивности, величины ПДК загрязнения и способности геосистем к самоочищению. При геосистемном мониторинге очень важно определить общую устойчивость природно-хозяйственных систем антропогенной нагрузке, то есть способность геосистем сохранять свою структуру и функциональные способности при воздействии внешних и внутренних факторов. Важно установить до какого уровняантропогенной нагрузки все еще можно использовать земельные ресурсы, поверхностные и подземные воды. Как установлено, разные геосистемы обладают неодинаковой устойчивостью. Так, лучше выдерживают антропогенные воздействия системы с хорошей взаимосвязью между поверхностными и подземными водами, с почвами, содержащими повышенное количество гумуса и т. д.

Наблюдения проводятся на географических стационарах и специальных зональных или региональных полигонах, а также на тестовых участках.

Географические стационары создаются для изучения состояния и изменения свойств ландшафтов и их компонентов путем наблюдений в одном месте на протяжении длительного времени. Стационарные исследования связаны с анализом функционирования ландшафтов, выявлением необратимых изменений. Территорию стационара выбирают таким образом, чтобы ее можно было рассматривать в качестве типичноголандшафта. Примером такого стационара в Центрально-Черноземных областях является заповедник «Стрелецкая степь» в Курской области. Там находится участок слабо нарушенных и никогда  не пахавшихся земель. Предметом изучения здесь являются водопроницаемость почвенно-растительного покрова, биологическая продуктивность, испаряемость, распределение снежного покрова и т.д.Результаты наблюдений могут быть использованы в качестве фоновых, то есть показывать условия, существовавшие природной системы до интенсивного сельскохозяйственного освоения земель.

На территории стационара могут размещаться ключевые участки, которые представляют собой участки ландшафта, выбранные в качестве эталона и используемые для проведения детальных исследований основных свойств компонентов ландшафтов. Программа работ на ключевом участке может включать в себя изучение всех компонентов: литосферы, рельефа, атмосферы, поверхностных и подземных вод, почв и биосферы. В некоторых случаях изучается часть природных и природно-хозяйственных процессов.

Полигонами (тестовыми участками) называют такие участки территории, где ведутся измерения и наблюдения по строго заданной программе. При этом часто используются дистанционные средства получения информации, то есть приборы, установленные на вертолетах, самолетах и космических аппаратах. Показатели, получаемые на полигонах, рассматриваются как характерные, представительные, или репрезентативные для всего района или ландшафта.

Биосферный уровень мониторинга. Основными задачами этого уровня являются: выявление изменений глобальных параметров окружающей природной среды, то есть прозрачности атмосферы, Мирового баланса влаги,состава вод Мирового Океана и его загрязнения, энергообмена географической оболочки с космосом и т.д.

Объектом наблюдения и контроля служит географическая оболочка и наиболее крупные ее структурные элементы. Основная цель наблюдений - предотвращение отрицательных последствий хозяйственной деятельности человека, представляющих опасность для существования человечества, то есть предотвращение экологического кризиса. Система биосферного мониторинга опирается на длительные  наблюдения с помощью искусственных спутников Земли и автоматизированную обработку информации, которая после использования хранится в так называемом банке данных.

На земной поверхности существует сеть биосферных стационаров, где ведутся наблюдения для получения текущей информации. Эта сеть охватывает основные природные зоны Земли. Значительное место в биосферном мониторинге занимают наблюдения за Мировым Океаном, озоновым экраном атмосферы, глобальной биологической продуктивностью, за изменением газового состава и газообмена между геосферами и другими процессами, имеющими значение для географической оболочки, как среды обитания человечества.

Так, совсем недавно было установлено, что по наблюдениям американского спутника от ледяного покрова Антарктиды откололся кусок льда площадью 12 тыс. км2., что подтверждает опасения ученых о нарастании процесса потепления климата на Земле.

В задачи мониторинга должно входить не только наблюдение и контроль за состоянием природной среды, но и управление природными процессами путем проведения комплекса природоохранных мероприятий. Такое управление, основанное на результатах анализа большого объема информации, удобнее всего проводить на региональном уровне. При этом информация должна поступать в центр управления, где принимаются решения о проведении мероприятий и, затем, оценивается их эффективность. Таким образом, система имеет обратную связь. Размещение точек наблюдений за состоянием природной среды и проведение природоохранных мероприятий должны основываться на результатахкомплексной оценки состояния гидросферы, литосферы и атмосферы.

Литература.

1. Смольянинов В. М.  Общее землеведение: литосфера, биосфера, географическая оболочка. Учебно-методическое пособие / В.М. Смольянинов, А. Я. Немыкин. – Воронеж : Истоки, 2010 – 193 c.

Самое раннее из определений здоровья — определение Алкмеона, имеет своих сторонников вплоть до сегодняшнего дня: "Здоровье есть гармония противоположно направленных сил". Цицерон охарактеризовал здоровье как правильное соотношение различных душевных состояний. Стоики и эпикурейцы ценили здоровье превыше всего, противопоставляя его энтузиазму, стремлению ко всему неумеренному и опасному. Эпикурейцы считали, что здоровье — это полное довольство при условии полного удовлетворения всех потребностей. Согласно К.Ясперсу, психиатры рассматривают здоровье как способность реализовать "естественный врожденный потенциал человеческого призвания". Существует и другие формулировки: здоровье — обретение человеком своей самости, "реализация Я", полноценная и гармоничная включенность в сообщество людей. К.Роджерс М., 1994. также воспринимает здорового человека как подвижного, открытого, а не постоянно использующего защитные реакции, независимого от внешних влияний и опирающегося на себя. Оптимально актуализируясь, такой человек постоянно живет в каждый новый момент жизни. Этот человек подвижен и хорошо приспосабливается к меняющимся условиям, терпим к другим, эмоционален и рефлексивен.

В уставе Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ) записано, что здоровье представляет собой не только отсутствие болезней и физических дефектов, но состояние полного социального и духовного благополучия. В соответствующем томе 2-го издания БМЭ оно определяется как состояние организма человека, когда функции всех его органов и систем уравновешены с внешней средой и отсутствуют какие-то болезненные изменения. В основу данного определения положена категория состояния здоровья, которое оценивается по трем признакам: соматическому, социальному и личностному. Соматический - совершенство саморегуляции в организме, гармония физиологических процессов, максимальная адаптация к окружающей среде. Социальный - мера трудоспособности, социальной активности, деятельное отношение человека к миру. Личностный признак подразумевает стратегию жизни человека, степень его господства над обстоятельствами жизни.

Экологические факторы – свойства среды, в которой мы живем.

На наше здоровье оказывают влияние климатические факторы, химический и биологический состав воздуха, которым мы дышим, воды, которую мы пьем, и множество других экологических факторов.

Экологические факторы могут оказывать на организм человека следующее влияние:

• могут благоприятно влиять на организм человека (свежий воздух, умеренное воздействие ультрафиолетовых лучей помогают укрепить наше здоровье);

• могут выступать в роли раздражителей, тем самым заставляя нас приспосабливаться к определенным условиям;

• могут провоцировать существенные структурные и функциональные изменения в нашем организме (например, темный цвет кожи у коренных жителей регионов с интенсивным солнцем);

• способны полностью исключать наше обитание в определенных условиях (человек не сможет жить под водой, без доступа кислорода).

Среди экологических факторов, влияющих на организм человека, выделяют факторы неживой природы (абиотические), связанные с действием живых организмов (биотические) и самого человека (антропогенные).

Абиотические факторы – температура и влажность воздуха, магнитные поля, газовый состав воздуха, химический и механический состав почвы, высота над уровнем моря и другие. Биотические факторы – воздействие микроорганизмов, растений и животных. К антропогенным экологическим факторам относятся загрязнение почвы и воздуха отходами промышленности и транспорта, использование атомной энергии, а также все, что связано с жизнью человека в обществе.

Благоприятное воздействие солнца, воздуха и воды на организм человека долго описывать не нужно. Дозированное воздействие этих факторов улучшает приспособительные возможности человека, укрепляет иммунитет, тем самым помогает оставаться нам здоровыми.

К сожалению, экологические факторы могут также наносить вред организму человека. Большинство из них связано с воздействием самого человека – производственные отходы, попадающие в источники воды, почву и воздух, выделение в атмосферу выхлопных газов, не всегда удачные попытки человека обуздать атомную энергию (как пример – последствия аварии на Чернобыльской атомной электростанции). На этом мы остановимся подробнее.