Каковы основные функции живого вещества биосферы?

Уважаемый студент!

Вы изучили  дисциплину «Экология».

Мы предлагаем Вам выполнить контрольную работу, чтобы более достоверно определить степень Вашей подготовленности по данной дисциплине.

Полная аттестация Вас по данной дисциплине будет осуществляться только после выполнения Вами данного сборника практических заданий.

Просьба писать аккуратно  и разборчивым почерком!

Контрольная работа по дисциплине «ЭКОЛОГИЯ »

Задание 1

Каковы основные функции  живого вещества биосферы?

Живое вещество – это  совокупность живых организмов в биосфере. Вернадский писал: «На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом». Он впервые подсчитал общую массу живого вещества биосферы. Однако эта величина оказалась несколько завышенной, ее уточнили исследования Н.И. Базилевич, Л.Е. Родина, Н.Н. Розова (1971). Как видно из табл. 1, основную часть биомассы суши составляют зеленые растения (99,2%), а в океане – животные (93,7%).

Вернадский считал, что  организмы связаны «с окружающей средой биогенным током атомов: своим  дыханием и размножением». Самой  существенной особенностью биосферы является биогенная миграция атомов химических элементов, вызываемая лучистой энергией Солнца и проявляющаяся в процессе обмена веществ, росте и размножении организмов.

По Вернадскому живое  вещество биосферы выполняет ряд  важнейших взаимосвязанных функций (осуществляемых указанными организмами):

газовая (все организмы  Земли);

кислородная (хлорофильные растения);

окислительная (бактерии, автортофы);

кальциевая (водоросли, бактерии);

восстановительная (бактерии);

концентрационная (все  живые организмы);

деструкционная –  разрушение органических соединений (грибы, бактерии);

восстановительное разложение (бактерии);

метаболизм и дыхание (все организмы).

Задание 2

Что понимают под сукцессионными изменениями? Какие выделяют основные типы сукцессионных изменений?

Сукцессия (от лат. successio – преемственность, наследование) – последовательная необратимая смена биоценозов, преемственно возникающих на одной и той же территории в результате влияния природных или антропогенных факторов. Последовательность сообществ, сменяющих друг друга в данном пространстве, называется стадиями развития.

Различают сукцессии: первичные – начинающиеся на субстратах, не затронутых процессами почвообразования (скальные породы, песчаные дюны, вулканическая лава) и вторичные – происходящие на месте сформировавшихся биоценозов после их нарушения (лесные пожары, вырубка леса, засуха, эрозии и др.). Существует множество форм сукцессии (фитогенная, зоогенная, ландшафтная, антропогенная).

Знание специфики сукцессионных  стадий позволяет вести разумную хозяйственную деятельность и более  рационально использовать ресурсы природных экосистем. Главная особенность этого процесса состоит в том, что изменения сообщества всегда происходят в направлении к равновесному состоянию. Каждая стадия сукцессий представляет собой определенное сообщество с преобладанием тех или иных видов и жизненных форм. Отдельные стадии развития сукцессий называют сериальными стадиями, а состояние окончательного равновесия – климаксом.

Как пример первичной  сукцессии можно назвать поселение  накипных и листовых лишайников на камнях. Под действием выделений  лишайников каменистый субстрат постепенно превращается в подобие почвы, где поселяются все более высокоорганизованные растения – кустистые лишайники, зеленые мхи, травы и другие растения. Примером вторичной сукцессии являются изменения, происходящие после раскорчевки и запашки площадей, занятых прежде лесом (если, конечно, распаханный участок оставлен и впоследствии не обрабатывается), или после порубки леса, устройства пруда и т.д.

Надо сказать, что скорость изменений при вторичной сукцессии  гораздо выше, чем при первичной. Это объясняется тем, что первичное сообщество оставляет после себя достаточное количество питательных веществ, развитую почву, что значительно ускоряет рост и развитие новых поселенцев. На начальной стадии сукцессии автотрофность значительно превышает гетеротрофность.

Итак, в ходе сукцессии  облик сообщества постоянно меняется. Меняется и функционирование экосистемы. Как уже отмечалось, сукцессия – это закономерный и направленный процесс, поэтому общие изменения, происходящие на той или иной ее стадии, свойственны любому сообществу и не зависят от его видового состава или географического местоположения. В качестве главных или основных можно назвать следующие четыре типа сукцессионных изменений.

Первое: виды растений и животных в процессе сукцессии непрерывно сменяются. Изменение видового состава часто определяется конкуренцией; ведь происходящие в ходе сукцессии изменения экосистемы создают благоприятные условия для колонизации сообщества новыми видами.

По этой причине сукцессионные  изменения всегда сопровождаются повышением видового разнообразия организмов на ранних и средних фазах и снижению в климаксе. Это – второе важное сукцессионное изменение или принцип стабилизации и минимизации видового состава климакса.

К третьему следует отнести увеличение биомассы органического вещества. Это относится как к водной, так и к наземной среде.

Наконец, четвертое изменение состоит в снижении чистой продукции сообщества и повышении его дыхания. Это наиболее важное явление сукцессии. На ранних стадиях первичной сукцессии общая первичная продукция высока, но на последующих стадиях продуктивность автотрофов падает. Это явление описывает принцип минимизации прироста в зрелой экосистеме: экосистема в сукцессионном развитии стремится к образованию наибольшей биомассы при наименьшей биологической продуктивности.

Задание 3

Какова роль трофических  связей в экосистеме?

Любое сообщество можно  представить в виде пищевой сети, то есть схемы всех пищевых, или трофических (от греческого слова trophе – пища, питание), взаимосвязей между видами этого сообщества. Пищевая сеть (ее переплетения бывают очень сложными) обычно состоит из нескольких пищевых цепей, каждая из которых является отдельным каналом, по которому передаются вещество и энергия. Различные организмы занимают разное положение относительно основного источника поступающей в сообщество энергии, в этих случаях говорят, что они располагаются на разных трофических уровнях.

Существует два основных типа пищевых цепей – пастбищные (цепи выедания, или цепи потребления) и детритные (цепи разложения). Пастбищные цепи начинаются с продуцентов: клевер ® кролик® волк; фитопланктон ® зоопланктон ® плотва ® щука ® скопа.

Детритные цепи начинаются от растительных и животных остатков, экскрементов животных – детрита, идут к микроорганизмам, которые ими питаются, а затем к мелким животным (детритофагам) и к их потребителям – хищникам. Детритные цепи наиболее распространены в лесах, где большая часть (около 90 %) ежегодного прироста биомассы растений не потребляется травоядными животными, а отмирает, подвергаясь затем разложению (сапрофитными организмами) и минерализации. Типичным примером детритной пищевой связи лесов является следующий: листовая подстилка ® дождевой червь ® черный дрозд ® ястреб-перепелятник. Кроме дождевых червей детритофагами являются мокрицы, ногохвостки, нематоды и др.

Некоторые из организмов в биотическом сообществе, например зеленые растения, способны фиксировать  световую энергию и использовать в питании простые неорганические вещества. Такие организмы называют автотрофами (от греческого авто – сам и трофо – питание, то есть самопитающиеся), или продуцентами (производителями).

Автотрофы занимают первый трофический уровень и являются важнейшей частью сообщества, потому что практически все остальные организмы, входящие в его состав, прямо или косвенно зависят от снабжения веществом и энергией, запасенными растениями. Все остальные организмы, занимая последующие трофические уровни, относятся к гетеротрофам (от греческого слова гетеро – разный) – питающимся готовыми органическими веществами. Гетеротрофы разлагают, перестраивают и усваивают сложные органические вещества, синтезированные продуцентами.

Автотрофные и гетеротрофные компоненты сообщества нередко располагаются  слоями, причем наибольшее число автотрофных  организмов находится в верхнем слое, куда поступает световая энергия, необходимая для фотосинтеза. Интенсивная гетеротрофная деятельность сосредоточена в тех местах, где скапливается органическое вещество: в почве и иле.

Гетеротрофные организмы подразделяются на консументов (потребителей) и редуцентов (восстановителей). Иногда последний термин заменяют словом деструкторы (разлагатели). Эти группы организмов называют также макроконсументами и микроконсументами. Макроконсументы (буквально – крупные потребители) представляют собой главным образом собственно консументов – животных, которые пожирают другие организмы или измельченные органические вещества. Микроконсументы (редуценты) представлены в основном грибами и бактериями, разлагающими сложные составные компоненты мертвой цитоплазмы, доводя их до простых органических соединений, которые в последующем могут быть использованы продуцентами.

Иногда, подчеркивая принадлежность консументов к тому или иному  трофическому уровню, их подразделяют на первичных консументов (травоядных животных); вторичных консументов, или первичных хищников (плотоядных, которые питаются травоядными); третичных консументов, или вторичных хищников (хищников, питающихся первичными хищниками). Поскольку многие животные всеядны и питаются как растениями, так и животными, их невозможно отнести к какому-либо одному уровню. В этих случаях считается, что такие организмы представляют сразу несколько трофических уровней, а их участие в каждом из уровней пропорционально составу их диеты.

Итак, состав трофической сети, отражающий число трофических уровней, соотношение продуцентов и консументов, первичных, вторичных, третичных и других хищников – все это показатели трофической структуры сообщества.

Задание 4

Проанализируйте биологическое  разнообразие России, дайте краткое описание.

Россия занимает северную часть Евразии и расположена  в пределах нескольких природных  зон. Практически по любому показателю разнообразия выделяются Кавказ, горы юга Сибири, Приморье и – для некоторых групп – западные районы России, тогда, как огромные территории Сибири и европейского Севера отличаются бедностью своих флор и фаун.

В Арктике и тундрах имеются  свои оригинальные арктические флористические и фаунистические комплексы. Они  оригинальны в экологическом  отношении, так как заселяют крайние по условиям местообитания и поэтому бедны видами. Очень короткий вегетационный период, резкие сезонные смены освещенности, низкие температуры и мерзлые грунты, очень высокое обилие определенных групп животных в отдельные сезоны (некоторые двукрылые в южных и типичных тундрах) или отдельные годы (лемминги) – все это создает своеобразную обстановку и формирует довольно узкий спектр возможностей. Среди растений преобладают лишайники и мхи, среди высших доминируют подушечные формы, древесные представлены кустарничками. Для животных характерна хорошая теплоизоляция, сжатые сроки размножения. Многие животные могут совершенно не размножаться в неблагоприятные годы и, наоборот, приносить очень большое количество потомков в благоприятные.

Основные пространства России занимает таежная зона. Это зона господства бореальных (таежных) хвойных лесов. В настоящее время на значительной части своей площади благодаря человеку хвойные уступили (по гарям и вырубкам) места вторичным мелколиственным лесам, а на западе и юге зоны значительные массивы распаханы. Специфическая таежная флора и фауна наиболее богата на востоке – в северном Приамурье. Но, как уже отмечалось, на западе в тайгу проникает (особенно по мелколиственным лесам и полям) масса широко распространенных и европейских видов растений и животных.

Основу флоры и фауны составляют виды европейского и средиземноморского происхождения, имеется и некоторый  афро-европейский элемент. Флора  района имеет достаточно четкую зональную  градацию разнообразия – на севере подзоны смешанных лесов она дает значения порядка 400 видов, а в лесостепи этот показатель возрастает до 700 видов. Фауна птиц, напротив, гораздо более монотонна и обычно дает 150–200 гнездящихся видов.

Смешанные и широколиственные дальневосточные  леса представлены исключительно в бассейне Амура. Это одни из богатейших биомов России. Среди животных имеется и существенная примесь индо-малайских форм. Кроме того, по горным хребтам сюда глубоко проникает тайга с ее видами, а по “восточным прериям” долины Амура и Приханкайской низменности – ряд представителей степных флор и фаун. Конкретная флора здесь обычно составляет 700–800 видов, фауна птиц около 200 видов.

. В настоящее время  почти всюду в российских степях 90% встреченных растений или животных скорее всего окажутся особями широко распространенных видов, которые предпочитают соседство человека или разносятся им. Собственно степная флора имеет довольно оригинальный облик, число степных видов также возрастает к западу. В сибирских степях характерно большее участие влаголюбивых и галофильных¹ видов по займищам, но общая флора беднее. Степная фауна млекопитающих вполне оригинальна и богата степными эндемиками (суслики и т.п.). Фауна птиц степей является лишь обедненным повторением средиземноморско-африканской пустынной фауны и имеет всего несколько эндемиков (стрепет, кречетка). Конкретная флора европейских степей может достигать 900 видов, тогда, как сибирских – не превышает 500. Фауна птиц довольно закономерно падает от 200 видов на севере до 130 на юге зоны.

Даурские степи сохранились  лучше европейско-сибирских. Имея более  расчлененный рельеф, они отличаются большим разнообразием условий. Кроме того, наряду с широко распространенными (обычно средиземноморскими по происхождению) видами открытых пространств, здесь большую роль играют монгольского пустынно-степные виды флоры и фауны. Поэтому все показатели видового разнообразия здесь выше, чем на западе. Конкретная флора здесь состоит из 700–800 видов, фауна птиц – из 180–220 видов.

Горы юга Сибири. От Алтая до Приамурья вдоль границ России тянется горная страна. Она служит разделом между таежной Сибирью и пустынно-степной Центральной Азией. Общий уровень разнообразия здесь высок – конкретная флора содержит около 800 видов, фауны птиц здесь самые богатые в России – всегда более 200 видов.

Кавказ отличается высоким  биологическим разнообразием как  в силу крайнего разнообразия собственных  условий – здесь и сложная  система вертикальной поясности, и  существенные изменения увлажненности  от влажных субтропиков на западе до полупустыни на востоке, так и в силу своих тесных связей с основным массивом нагорий Кавказского перешейка и примыкающей Гирканской области, лежащих южнее российских границ. Конкретные флоры здесь самые богатые в России – 1000 видов, причем, особенно богаты они в восточной части, где условия более разнообразны и наряду с альпийско-лесным имеется альпийско-степной тип поясности. Сказывается и близость наиболее богатых европейских степей. С животными дело обстоит сложнее. Если, например, для червей Кавказ – зона максимального разнообразия (более 20 видов), то для птиц – нет (около 200). Фауна птиц Кавказа уступает по богатству фауне широколиственных лесов Дальнего Востока и гор юга Сибири.

Биологическое разнообразие водоемов России имеет в общем  сходные с сухопутными местообитаниями особенности. Резким отличием является особое положение озера Байкал, которое считается особой гидробиологической областью в силу обилия эндемичных семейств, родов и видов его гидробионтов.

Задание 5

Что называют устойчивостью экосистемы? Какова роль принципа Ле Шателье?

Способность экосистемы и ее отдельных частей противостоять  колебаниям внешних факторов и сохранять свою структуру и функциональные особенности называется устойчивостью экосистемы.

Устойчивая экосистема подчиняется принципу Ле Шателье: при возникновении внешних возмущений, нарушающих состояние окружающей среды, в биоте возникают процессы, компенсирующие это возмущение.

Относительное затухание  колебаний в среде по мере их прохождения  по пищевым цепям служит мерой внутренней устойчивости экосистемы, – ее способности противостоять изменениям. При этом устойчивость экосистемы может быть обусловлена наличием запасов влаги в почве, а в случае достаточно длительной засухи – частичным замещением чувствительных к засухе травянистых растений засухоустойчивыми видами. Это пример «работы» устойчивой экосистемы.

Однако воздействие  человека на природные экосистемы привело  к тому, что они начали терять способность к компенсации этих возмущений. Подсчитано, что биосфера может компенсировать любые возмущения, производимые человечеством, доля потребления которого не превышает 1% продукции биосферы. Результаты новейших исследований показали, что действие принципа Ле Шателье в биоте континентов оказалось нарушенным, как только доля потребления человеком продукции биоты превысила порог допустимого воздействия (около 10%).

Задание 6

Каковы основные проблемы воздействия человека на биоту Земли?

Воздействие человека на биоту огромно. В целом оно  сводится к прямому уничтожению  особей, популяций и видов аборигенной флоры и фауны (т.е. существовавшей в данном месте до вторжения человека) и изменению условий обитания (от создания дискомфорта, до нарушения вещественно-энергетических потоков и прямого уничтожения целых экосистем), приводящем в конечном итоге к угнетению и гибели живых существ. Любое воздействие человека на земные геосферы, затрагивает, естественно и все живые существа, попадающие в зону этого воздействия.

К важнейшим проблемам  здесь относят:

уничтожение лесов;

уничтожение естественных экосистем;

сокращение видового разнообразия;

опутынивание.

Отдельной строкой стоит  выделить проблему, которую некоторые  исследователи называют «самым зловещим индикатором тотальной экологической катастрофы» – эндоэкологическое отравление (ЭЭО) межклеточной среды ядерных организмов (эукариот) тяжелыми металлами, радионуклидами и химическими токсинами. В результате чего происходят непредсказуемые лавинообразные мутации, приводящие к гибели живых организмов. Считают, что методика выведения агентов ЭЭО из тела человека найдена, однако ко всему человечеству и, тем более, к животным применить ее невозможно. Также невозможно быстро остановить и сам процесс ЭЭО. Для этого надо в течение нескольких лет кардинально изменить всю технологию промышленности и сельского хозяйства, что абсолютно нереально.

Задание 7

Составьте краткую таблицу  по региональным экологическим проблемам.

Задание 8

Что понимают под рациональным природопользованием? Каковы основные подходы к рациональному использованию  минеральных и биологических  ресурсов?

Рациональное  природопользование – это система деятельности, призванная обеспечить экономное использование природных ресурсов и их воспроизводства с учетом перспективных интересов развивающегося народного хозяйства и сохранения здоровья людей. Эта деятельность требует не только обширных и глубоких знаний закономерностей и механизмов функционирования экологических систем, но и целенаправленного формирования определенного нравственного фундамента общества, осознания людьми своего единства с Природой, необходимости перестройки системы общественного производства и потребления.

К основным подходам рационального  использования минеральных ресурсов относятся:

• максимально полное и комплексное извлечение из месторождения всех полезных компонентов;
• рекультивация (восстановление) земель после использования месторождений;
• экономное и безотходное использование сырья в производстве;
• глубокая очистка и технологическое использование отходов производства;
• вторичное использование материалов после выхода изделий из употребления;
• использование технологий, позволяющих проводить концентрацию и извлечение рассеянных минеральных веществ;
• использование природных и искусственных заменителей дефицитных минеральных соединений;
• разработка и широкое внедрение замкнутых циклов производства;
• применение энергосберегающих технологий – разработка и использование новых эффективных и экологически чистых источников энергии.

Любая эксплуатируемая  популяция характеризуется определенной продуктивностью, производимой в единицу времени новой биомассой. При эксплуатации человек изымает часть биомассы в виде урожая, представляющего собой некоторую долю биопродукции. Наличие внутривидовой или межвидовой конкуренции, воздействие неблагоприятных условий внешней среды, других факторов могут снижать продукцию. И разница между ней и урожаем может заметно сократиться или даже стать отрицательной. В последнем случае изъятие будет превышать естественный прирост биомассы популяции.

Разумный подход к использованию биологических ресурсов состоит:

• в поддержании продуктивности популяции на максимально высоком уровне;
• в сборе урожая, величина которого максимально близка к производимой популяцией продукции.

Задание 9

Каковы основные экологические  проблемы, связанные с урбанизацией?

В России урбанизация  имела неслыханные для всего  мира темпы. Это было вызвано индустриализацией  в период становления Советской  страны. Города возникали там, где  надо было добывать или перерабатывать сырье: Новокузнецк, Магнитогорск и др. И сейчас, когда в стране тяжелая ситуация на Дальнем Востоке, нет работы в городах, у горняков крайне трудные годы, нужно понимать, что это – следствие политики урбанизации. Сегодня стоит задача разобраться, что произошло, почему, и что можно сделать, чтобы улучшить нашу жизнь, поскольку мало кто из горожан собирается немедленно уезжать из города и жить в деревне.

Особенно остро проблемы городов стоят в мегаполисах – городах с населением более 10 млн человек. Современный мегаполис можно представить себе как огромный энергетический реактор, работа которого обусловлена потреблением огромного количества энергии и вещества. С работой этого «реактора» связаны и так называемые «острова тепла» (например, в центре Москвы теплее иногда на 10–12°С, чем на периферии). Большую проблему представляют собой полученные в процессе переработки отходы, которые сложно и опасно хоронить. Кроме того, нужна чистая вода: знаменитый проект буксировки айсбергов в Японии никто не опроверг, он технически возможен и прибылен.

Выделим некоторые основные проблемы города по отношению к человеку и кратко на них остановимся:

городской образ жизни: восприятие времени, риски, визуальная среда, скученность;

транспорт; безработица; рекреация;

загрязнение: химическое, физическое, внутридомовая среда.

Город – это особое место, где время течет иначе, где пространство совершенно иначе организовано, чем в природе. В городах сосредоточены возможности, которых больше нигде нет. В городах люди могут найти работу, поэтому безработные, нищие, беженцы устремляются в города. В городах большие возможности по получению образования; сосредоточена вся современная культурная жизнь – театры, концерты и проч. В городах дешевле всего производить практически любую продукцию (есть рабочая сила, подведены коммуникации, есть инфраструктура т.д.). Города – самые сложные творения человека. Но до сих пор не создано ни одного города, жители которого были бы им довольны, в котором не было бы особых рисков. Поэтому социологи говорят о том, что наше общество является обществом риска.

Город снижает целый  ряд рисков предоставлением медицинской  помощи, той или иной социальной защиты, но с другой стороны, он создает  другие риски. Слово стресс, прочно вошедшее в обиход, говорит нам  еще об одной черте жизни в городе. Городская жизнь предполагает стрессы, то есть нагрузку, на которую весь наш организм отвечает напряжением и перенапряжением. Оказывается, что регуляторная система человека – иммунная система – не может бесконечно компенсировать получаемую нагрузку.

Один из серьезнейших стрессов – информационный.

Скученность. Из биологии известно, что при возникновении скученности живые организмы регулируют рост друг друга: если много головастиков растет в одной луже, они выделяют вещества, препятствующие росту других головастиков; при скученности у мышей (при достатке воды, еды и др., кроме пространства) по мере их размножения начинают появляется гомосексуализм, агрессия, у некоторых мышей идет резорбция (рассасывание) эмбриона и т.д. То есть эффекты, с которыми мы нередко встречаются в жизни, воспроизводится в лабораторных условиях, и являются следствием скученности. Поэтому мы так ценим отдельные квартиры, отдельные кабинеты или дачу, где можно уединиться и отдохнуть ото всех, снять накопившееся напряжение, порождающее серьезный набор нежелательных эффектов. Существуют даже специальные методики снятия кабинетного стресса.

Итак, скученность ведет  к тому, что жители города постоянно  пребывают в напряжении. Для снятия его специалисты рекомендуют физическую нагрузку, спорт (а точнее, физкультуру), который обладает универсальным защитным действием.

Задание 10

Каковы основные принципы экологической этики?

Круг природоохранных  проблем логически смыкается  с задачами экологического образования  и воспитания. Природоохранное мировоззрение должно воспитываться с младенческого возраста как одна из морально-нравственных норм поведения человека. Независимо от профессии и круга личных интересов современный культурный человек должен добровольно придерживаться некоторых принципов экологической этики:

Принцип биологического императива: во всех случаях из возможных  вариантов проектов размещения производства, строительства, преобразования ландшафтов, эксплуатации ресурсов и т.д. следует предпочитать тот, который вносит наименьшие изменения в естественные биологические системы. Этот принцип должен выдерживаться независимо от стоимости предложенных вариантов, поскольку разрушение биологических систем — прямая угроза существованию человечества.

Принцип сохранения биологического разнообразия: во всех случаях использования, преобразования или направленного конструирования экосистем следует добиваться максимального богатства и разнообразия составляющих их видов, помня, что за видовым разнообразием стоит разнокачественность элементов структуры экосистем и популяций отдельных видов. Последняя же представляет основу механизмов поддержания устойчивости биологических систем в условиях сложной и динамичной среды.

Принцип гуманизации  производства: из всех возможных вариантов  организации производства предпочтение безусловно, вне зависимости от затрат, отдается вариантам, обеспечивающим сохранение окружающей среды, создание нормальных условий работы и здоровья людей как на самом производстве, так и в жилых районах в зоне его влияния.