Закон максимизации энергии
Вопрос 34
Закон максимизации энергии
Закон максимизации энергии (преимущественного
развития или конкуренции) – в соперничестве
с другими системами выживает (сохраняется)
та из них, которая наилучшим образом способствует
поступлению энергии и использует максимальное
ее количество наиболее эффективным образом,
то есть при данной совокупности внутренних
и внешних условий достигает максимального
значения энергетической эффективности.
Закон максимизации энергии определяет
возможности выживания или сохранения
одной системы в соперничестве с другими.
Закон максимизации энергии, утверждает,
что в конкурентной борьбе выживает тот,
который сумел максимально полезно провести
и с толком использовать полученную извне
энергию. Основной поставщик энергии для
нас – Солнце.
Этот экологический закон генетически
заложен в нашем организме абсолютно во
всех органах и системах. В организме человека
с чистой, здоровой системой оповещения
мозга о функционировании органов и систем,
четко срабатывает иммунная защита. Она
обеспечивает наилучшую организацию использования
энергии, максимального её количества
наиболее эффективным способом.
Для реализации закона максимизации
энергии в организме человека осуществляются
следующие положения:
Созданы накопители высококачественной
энергии (гормональное консервирование
углеводов, так называемая - инсулиновая
защита, жировые депо депонированная кровь,
многочисленные железы внутренней секреции
в стенках сосудов и в слизистой кишечника.
Использование накопленной энергии на
обеспечение поступления новой энергии.
Это условие выполняется за счет химических
реакций, смещающих равновесие в сторону
консервирования энергии в сложенных
химических связях биологически необходимых
организму высокоактивных веществ - гормонов,
ферментов и др.
Обеспечение круговорота веществ. Человек,
как сложная экологическая система, является
моделью самой уникальной экосистемы
биосферы.
Закон снижения энергетической эффективности природопользования - в экологии - закон, в соответствии с которым с течением времени при получении полезной продукции из природных систем на ее единицу затрачивается все большее количество энергии.
Вопрос 21
КЛАССИФИКАЦИЯ ЭКОСИСТЕМ
В зависимости от жизненных сред экосистемы делятся на наземные (атмосферные), водные (гидросферные) и подземные (литосферные).
Выделяют микроэкосистемы (
Ю. Одум выделяет три группы природных экосистем: наземные, пресноводные и морские.
В основе классификации лежат определенные признаки: для наземных экосистем – тип растительности, для водных – физические свойства воды.
Очень крупные наземные экосистемы называются биомами. Каждый биом включает в себя целый ряд меньших по размерам, связанных друг с другом экосистем. Одни из них могут быть очень крупными, другие представлять собой, например, небольшой лесок. Важно то, что любую экосистему можно определить как более или менее специфическую группировку растений и животных, взаимодействующих друг с другом и со средой.
Распространение биомов подчиняется принципу географической зональности. В результате некоторые экосистемы могут встречаться в различных климатических поясах.
Выделяют: леса умеренного пояса, степи, пустыни, хвойные леса (тайга), тундра, саванны, дождевые тропические леса.
В водной среде на основе химических свойств воды выделяют пресноводные и морские экосистемы.
По сравнению с наземными и морскими экосистемами пресноводные местообитания занимают сравнительно малую часть земной поверхности, но их значение для человека достаточно велико. Прежде всего потому, что пресная вода – самый удобный и самый дешевый источник воды для бытовых и промышленных нужд, кроме того, пресноводные экосистемы являются естественными коллекторами переработки антропогенных отходов.
Пресноводные водоемы делят:
1) на лентические (водоемы со стоячей водой) – озера, пруды, водохранилища;
2) лотические, или водоемы с проточной водой – реки, ручьи, ключи, родники;
3) заболоченные угодья – болота и марши.
Характерной чертой крупных лентических экосистем является
четкая зональность. В типичном случае различают литоральную
Основными различиями между текучими и стоячими водами являются:
· во-первых – течения, которые служат важным контролирующим и лимитирующим фактором;
· во-вторых – обмен между сушей и водой, который наиболее выражен в реках, в результате чего в них формируется более открытая и гетеротрофная система, особенно при невеликих размерах водоема;
· в третьих – концентрация кислорода, которая в реке обычно выше и более равномерно распределена.
В лотических экосистемах в
По химическому составу воды Ливингстон
подразделяет реки мира на два типа: 1)жестководные, или карбонатные; 2) мягководные,
Заболоченными участками называются любые пространства,
которые хоты бы часть года покрыты пресной
водой. Почвы таких мест насыщены влагой,
ключевой фактор, обеспечивающий продуктивность и видовой состав этих сообществ, это
гидропериод, т.е. периодичность колебаний
уровня воды. Болота представляют собой очень от
Морские экосистемы подразделяются:
1) на открытый океан;
2) воды континентального шельфа;
3) районы апвеллинга – зона продуктивного рыболовства;
4) эстуарии – бухты, устья рек, лиманы;
5) экосистему глубоководных рифовых зон Мирового океана.
Экосистема открытого океана занимает огромную поверхность и обладает значительным объемом воды (94% объема всей гидросферы Земли). Жизненная среда океана непрерывна, и в нем отсутствуют границы, препятствующие расселению живых организмов. В океане насчитывается более 160 000 видов животных и около 10 000 видов растений. Среди животных около 16 000 видов рыб, 80 000 видов моллюсков, более 20 000 ракообразных, 15 000 простейших. Среди растений в океане преобладают водоросли: диатомовых насчитывается около 5000 видов, красных – 2 500, бурых и сине-зеленых – около 2 000 и т.д. Несмотря на такое разнообразие жизни в океане, его органический мир в водной толще распределяется неравномерно.
Экосистемы континентального шельфа – это прибрежные районы, где складываются наиболее благоприятные условия питания и сконцентрировано значительное разнообразие живых организмов, имеющих промысловую ценность. Одним из главных факторов развития этой системы является энергия волн, прибоя и приливов.
Районы апвеллинга формируются в глубоководных местах, где поверхностные воды постоянно разбиваются о крутые береговые склоны. Системы характеризуются высоким содержанием биогенных элементов в воде, донные отложения содержат много органических веществ и фосфатов. Видовое разнообразие рыб и птиц определяет не только продуктивность, но и короткие пищевые цепи. Некоторые виды-хищники в областях апвеллинга становятся растительноядными. Прибрежные районы часто представляют собой пустыню, так как ветры дуют большей частью с суши, унося влагу. Циркуляция воды осуществляется по вертикали: холодные глубинные воды регулярно поднимаются на поверхность.
Эстуарии – это места впадения пресных речных вод в морские экосистемы. Экосистемы, сформированные в таких местах, отличаются ярко выраженной специфичностью, так как населены биотой, характерной как для пресноводных экосистем, так и для морских сообществ. В местах впадения рек в моря очень часто строят судоремонтные и судостроительные верфи, порты, города и санаторно-курортные организации, что делает эти системы очень уязвимыми.
Экосистема глубоководных рифовых зон океана открыта сравнительно недавно (1977 г.) американскими учеными в Тихом океане на глубине 2 600 м. Здесь в сплошной темноте, где невозможен фотосинтез, господствует сероводородное заражение, высоко содержание ядовитых металлов, имеются выходы гидротермальных источников, были обнаружены оазисы жизни. Живые организмы были представлены гигантскими червями, моллюсками, креветками, крабами, своеобразными рыбами, а серные бактерии играют роль зеленых растений.
В зависимости от степени влияния человека на экосистемы их принято делить на природные и антропогенные. Природные экосистемы функционируют спонтанно, сами по себе, без обязательного участия человека. В их биотический круговорот человек не включается или включается ограниченно в качестве консумента, если занимается собирательством, рыбной ловлей или охотой.
Природные экосистемы делятся на два типа: первичные, не испытавшие существенных воздействий со стороны человека, и вторичные, возникшие на территории, где природные экосистемы были полностью нарушены или даже ликвидированы человеком и затем естественно или искусственно восстановлены или созданы заново. Способность природных экосистем самовосстанавливаться после частичного или полного разрушения является наиболее важным их свойством как для человека, так и для самой природы. Восстановление может идти непосредственно или через серию сменяющих друг друга экосистем и требует, как правило, длительного времени. Например, срубленный или сожженный лес полностью восстанавливается естественным путем через 200-300 лет, распаханная степь – через 100-150 лет. Человек может задержать восстановление или даже воспрепятствовать ему в случае экологически ошибочных действий или, наоборот, ускорить восстановление в результате грамотного хозяйствования.
Антропогенные экосистемы делятся на две категории: экосистемы культурные (точнее культивационные), регулярно эксплуатируемые человеком, и экосистемы рудеральные, живая продукция которых человеком не используется и не поддерживается.
· Культиваци
По мнению Ю. Одума, агроэкосистемы – это одомашненные системы, которые во многих отношениях занимают промежуточное положение между природными (луга, леса) и искусственными (города) экосистемами. Современное представление об агроценозах отражено в формулировке: это вторичные, измененные человеком биогеоценозы, ставшие значительными элементарными единицами биосферы; их основу составляют искусственно созданные, как правило, обедненные видами живых организмов биотические сообщества. Эти сообщества формируют и регулируют люди для получения сельскохозяйственной продукции. Агроэкосистемы отличаются высокой биологической продуктивностью и доминированием одного или нескольких избранных видов (сортов, пород) растений или животных. Выращиваемые культуры и разводимые животные подвергаются искусственному, а не естественному отбору. Как экологические системы агроэкосистемы неустойчивы: у них слабо выражена способность к саморегулированию, без поддержки человеком они быстро распадаются или дичают и трансформируются в естественные.
Агроэкосистемы с преобладанием зерновых культур существуют не более одного года, многолетних трав – три-четыре года, плодовых культур – тридцать-сорок лет, а затем они распадаются и отмирают. Полезащитные лесные полосы, которые являются элементами агроэкосистем, в степной зоне существуют не менее тридцати лет. Однако без поддержки человеком (например, рубки, ухода) они постепенно дичают, превращаясь в естественные угодья, или погибают. Основу большинства агроэкосистем составляет искусственный фитоценоз: окультуренные (планомерно эксплуатируемые луга и пастбища); полукультурные (непостоянно регулируемые искусственные насаждения – сеяные, многолетние луга); культурные (постоянно регулируемые многолетние насаждения, полевые и огородные культуры); интенсивно культурные (парниковые и оранжерейные культуры, гидропоника, аэропоника и др.). Управление агроэкосистемой осуществляется извне и подчинено внешним целям. Они не имеют природного полноценного механизма круговорота веществ и должны постоянно поддерживаться действиями человека, биотехническими мерами типа вспашки, удобрения, посева, подкормки, прополки и т.д.
Отличие природных экосистем от аграрных. Прежде всего, биотическое сообщество природной экосистемы разнообразнее (показано наличием множества ячеек в пространстве ниши), чем в агроэкосистеме, и полнее использует доступное ей пространство ниши. Характеристика отдельных индивидуумов (генетика, возраст, состояние и т.д.) внутри определенного вида (показаны цифрами внутри ячейки для этого вида) имеет тенденцию к изменению в природных системах, но относительно постоянна в аграрных. Природные системы более непрерывные в пространстве и во времени; основная часть полученной в них продукции используется для различных целей в пределах системы. Экспорт продуктов продовольствия из агроэкосистем лимитирует использование полученной продукции внутри этих систем и делает их зависимыми от затрат материалов и труда человека. С одной стороны, агроэкосистемы – это естественно-материальный источник производства, а с другой – объект и результат целенаправленной деятельности человека.
Физико-химические процессы, протекающие в агроэкосистемах, существенно отличаются от таковых в естественных условиях из-за привнесения элементов антропогенного регулирования. Принципиальное отличие аграрных систем от естественных заключается в преимущественном выносе с урожаем питательных веществ. Уменьшение содержания гумуса ухудшает условия развития полезной микрофлоры, в том числе и почвоочистительной, приводит к снижению запасов внутрипочвенной энергии, элементов питания, к усилению процессов смыва и вымывания, т.е. обусловливает деградацию почвенно-биотического комплекса, а затем и системы в целом.
Большая часть процессов, протекающих в аграрной экосистеме, происходит не так, как в природных образованиях. Так, скорость инфильтрации воды в природных системах выше, что существенно снижает и поверхностный сток, и вероятность развития эрозии почвы. В естественных условиях эрозию сдерживает и более плотный растительный покров, сохраняющийся в течение всего года.
Потери влаги в природной экосистеме обычно выше. Из-за этого по почвенному профилю перемещается меньшее количество воды, что снижает вымывание питательных элементов и их поступление в грунтовые воды.
В природных системах в больших количествах содержатся органические коллоиды, которые обеспечивают ионообменную и водоудерживающую способность почвы. В результате длительной обработки почвы или при орошении происходит окисление и разрушение органического вещества, в результате значительная часть почвенных коллоидов утрачивается. Параллельно окислению протекает и интенсивная минерализация органики, что ведет к потерям подвижных форм питательных веществ. В агроэкосистемах эти процессы усиливаются вследствие снижения густоты растительного покрова и повышения температуры почвы.
Цикл круговорота биогенных элементов в природных экосистемах более закрытый, чем в агроэкосистемах, где значительная их часть отчуждается с урожаем. Газообразные потери азота из почвы в агроценозах значительно выше, чем в природных экосистемах, из-за большей активности денитрифицирующих микроорганизмов.
В естественных экосистемах способность растений поглощать элементы питания выше, чем скорость образования доступных их форм в почве. Растения природных сообществ имеют более разнообразную корневую систему, что позволяет полнее использовать почвенный профиль. Агротехника, при которой уменьшается разнообразие возделываемых культур, не только снижает эффективность использования влаги, но и увеличивает угрозу потери питательных веществ при вымывании их за пределы корнеобитаемого слоя почвы.
Естественные экосистемы выполняют три жизнеобеспечивающие функции, являясь местом, средством и условием жизни. Агроэкосистемы в отличие от них формируются для получения максимально возможного количества продукции, служащей первоисточником пищевых, лекарственных, кормовых и сырьевых ресурсов, т.е. функции агроэкосистем ограничиваются предоставлением жизни. В этом главная причина преобладания ресурсоемкого и природоразрушающего типов агроэкосистем.
Современные агроэкосистемы включают сложные взаимосвязанные материальные,
энергетические и экологические процессы
производства биологической продукции.
При этом обеспечивается воспроизводств
Научно обоснованная организация агроэкосистем предусматривает создание рациональной природной и природно-хозяйственной инфраструктуры (дороги, каналы, лесные насаждения, сельскохозяйственные угодья и др.), адекватной особенностям местного ландшафта и хозяйственного пользования территорией в целом. Организация агроэкосистем должна быть приближена к контурам природных комплексов, что достигается оптимизацией ландшафта.
Классификация агроэкосистем в настоящее время представлена мнениями ряда авторов.
Например, Ю. Одум выделяет два типа экосистем по энергетическим вложениям.
К первому типу он относит немеханизированные агр
Второй тип агроэкосистем представлен механизированными,
В агроэкосистемы доиндустриального типа ежегодно дополнительно поступает около 2 *109 Джга, а в интенсивные механизированные системы развитых стран – до 20 * 1010 Джга, в то время как целесообразный предел внесения дополнительной энергии – 15 * 109 Джга.
Среди агроэкосистем чаще всего выделяют следующие виды:
- скотоводческие, распространенные в Африке, они характеризуются преобладанием животноводства для производства мяса, молока и шерсти;
- кочевые, или подсечно-огневые
экосистемы, распространенные в Бразилии, характеризуются вырубкой и выжиганием леса, на расчищенных участках выращивают сельскохозяйственные культуры, после истощения почвы участок оставляют;
постоянные,
Современная классификация агроэкосистем исходит из следующего ранжирования: агросфера – глобальная экосистема, объединяющая всю территорию Земли, преобразованную сельскохозяйственной деятельностью человека; аграрный ландшафт – экосистема, сформировавшаяся в результате сельскохозяйственного преобразования ландшафта (степного, таежного и т.д.); сельскохозяйственная экосистема – экосистема на уровне хозяйства; агробиогеоценоз – поле, сад, бахча, теплица, оранжерея; пастбищный биогеоценоз – природное или культурное пастбище, используемое для выпаса сельскохозяйственных животных; ферменный биогеоценоз – конюшня, коровник, свинарник, кошара, птичник, животноводческий комплекс, зоопарк, виварий.
К рудеральным экосистемам относятся городские пустыри, развалины, свалки мусора, терриконы, отвалы, оставленные карьеры и т.п. В функциональном отношении эти системы неустойчивы, в них размножаются сорняки, крысы, одичавшие кошки и собаки, врановые и воробьиные птицы. В рудеральные системы человек обычно непосредственно не вмешивается, и органический мир в них живет по стихийным законам борьбы за существование и естественного отбора.
Вопрос 75
МЕХАНИЗМЫ УСТОЙЧИВОСТИ ЭКОСИСТЕМ
В условиях, когда среда является источником множества постоянно действующих возмущений, существование механизмов устойчивости должно быть признано законом существования сколько - нибудь организованных структур в системе. В противном случае устойчивостью обладал бы только однородный хаос вещества и энергии, лишенный организованности и, значит, информации.
Все механизмы устойчивости можно разделить на четыре группы (А.Д.Арманд,1989):
- сохраняющие (стабилизирующие)состояния систем;
- сохраняющие тип
- сохраняющие структуру;
- сохраняющие направленность
Механизмы стабилизации состояния
Можно назвать несколько механизмов, с действием которых связано более или менее продолжительное пребывание систем в неизменном состоянии.
К пассивным механизмам, поддерживающим систему в более или менее стабильном состоянии, следует отнести проточность. К проточным можно отнести системы, устроенные по типу бассейна с входной и выходной трубами: в одну втекает вода (любое вещество), в другую вытекает. Соответственно чужеродные вещества, попадающие в систему, затем могут быть вымыты из нее в ходе нормального функционирования. В частности, вынос тяжелых металлов сельхозкультурами выше, чем растительностью природных угодий. Максимальный вынос тяжелых металлов отмечен для свеклы. Можно сказать, что отчуждение урожая этой культуры способствует значительному очищению экосистемы от загрязнения. Интересно отметить, что основное отчуждение свинца сахарной свеклой идет за счет листьев и только 10% отчуждается с корнеплодами. Вынос никеля листьями свеклы приблизительно на 30-40% выше, чем корнеплодами. Концентрация никеля и свинца в листьях сахарной свеклы в 3-5 раз выше, чем содержание этих элементов в корнеплодах. Приведенные данные позволяют рекомендовать выращивание свеклы для стабилизации геохимической обстановки района. Утилизация урожая в качестве продуктов питания возможна, по-видимому, только в отношении корнеплодов.
Следующие механизмы можно отнести к активным стабилизаторам состояния. Активность их заключается в том, что внешнее воздействие включает программу, следуя которой система ослабляет влияние возмущения. Среди таких механизмов основную роль играет отрицательная обратная связь (Эшби,1959). Поступивший на вход системы импульс, пройдя по цепи обратной связи, складывается с обратным знаком со следующим импульсом, и начальное состояние полностью или частично восстанавливается. Нередко таким механизмом снабжены метаболические системы неживой природы, поддерживающие около нулевой отметки балансовое сальдо вещества или энергии: бессточные озера, тепло нижней атмосферы, атмосферная двуокись углерода и т.д. Многочисленные регуляторы отрицательной обратной связи – основа гомеостатических свойств живых организмов. Биологические механизмы самоочищения воды и почвы подразумевают, что избыточное накопление какого-то вещества служит сигналом к вспышке размножения бактериальной флоры, беспозвоночных, грибов, уничтожающих дополнительное количество загрязнителей.
Незначительные изменения энергетических взаимодействий между компонентами способны на основе обратной связи регулировать большие потоки энергии и вещества. В таких ситуациях малая энергия трофических связей как бы обеспечивает управление обратной связью, то есть ответными реакциями биологических компонентов системы. Так, аллелопатические экзометаболиты регулируют рост растений, избирательное хищничество может стимулировать рост других популяций, гетерогенность биогеоценоза контролирует характер трофических связей в экосистеме и т.д. Например, хотя паразитические виды Hymenoptera обусловливают лишь небольшую часть (обычно менее 1%) общего метаболизма в луговой экосистеме, они могут существенно влиять на формирование первичной продукции биоценоза, воздействуя своим паразитизмом на травоядных. Согласно расчетам Камшилова (1979), деструкторы, составляющие лишь 1% от суммарной биомассы организмов планеты, перерабатывают количество органического вещества, превосходящее их собственный вес в 10 раз. Можно привести и другие примеры обратной связи, в которых даже небольшое количество энергии более высокого трофического уровня, возвращаясь к компонентам более низкого и исходного уровня, обладает повышенной способностью контролировать всю систему. Заметим, что аналогичная ситуация складывается и в агроценозах, где даже незначительные затраты энергии вредителей могут привести к гибели растений или существенному снижению их фотосинтетической активности, то есть повлиять на значительно большие по масштабам потоки вещества и энергии. И наоборот, применение малых доз энергии в виде инсектицидов позволяет в данном случае направить поток энергии и вещества в нужном для человека направлении. Таким образом, основная роль применения техногенных факторов оптимизации абиотических и биотических условий внешней среды проявляется в том, что за счет малых потоков невосполнимой энергии регулируются большие потоки энергии в агроэкосистемах.
Заметим, что в управлении большими потоками энергии агрофитоценозов роль модуляторов выполняют малые потоки энергии не только техногенных, но и биотических факторов. Так, практически нельзя заменить специфическую роль "малой энергии" полезной энтомофауны в формировании урожая энтомофильных культур и поддержании экологического равновесия в агроценозах. В растениеводстве хорошо известно значение микрофлоры в формировании потенциального и эффективного плодородия почв, являющегося базисом фотосинтетической продуктивности агрофитоценозов и др.
Однако малые потоки невосполнимой энергии (пестициды, удобрения) могут иметь и негативные последствия, то есть изменять большие потоки энергии в неблагоприятном направлении (например, уменьшать биогенность почвы, экологическую устойчивость агроценозов и т.д.) и, как следствие, снижать количество аккумулированной культивируемыми растениями энергии солнца и других природных ресурсов. При этом необходимо учитывать, что в агроэкосистемах, в которых по сравнению с естественными сообществами многие из кибернетических свойств утрачены, а следовательно, ослаблена способность к саморегуляции, упрощены цепи трофических связей, утеряны многие из механизмов биокомпенсации, роль малых потоков энергии(техногенных и биотических) в формировании биоэнергетического потенциала агроценозов резко возрастает. Отсюда появляется возможность массового размножения отдельных видов вредителей или сорняков, проявления эпифитотий, способных практически уничтожить агрофитоценоз.

- Закон Ману
- Закон Ману
- Закон минимума Либиха. Пути сохранения биоразнообразия и генофонда биосферы. Экологические проблемы России
- Закон народонаселения Томаса Мальтуса
- Закон "национальности" юридического лица
- Законная сила определения суда апелляционной инстанции
- Законная сила судебного решения
- Закон как источник земельного права
- Закон как источник земельного права
- Закон как источник права
- Закон композиции и пропорциональности
- Закон композиции и пропорциональности
- Закон кратных отношений
- Закон круговорота вещества и дефицитные и избыточные химические элементы