Общая экология

Государственное образовательное  учреждение высшего  профессионального  образования

«Алтайский  государственный технический университет

им  И. И. Ползунова» 
 
 
 
 
 
 

Реферат по дисциплине

«Экология» 

на  тему

«Общая  экология» 
 
 
 
 

Выполнила: студентка группы САПР-201

Соснина М.О. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Барнаул  2011

Содержание

1.Классификация организмов по способу питания 3

2. Экологическая ниша. Пищевые цепи, сети. Пирамиды 4

3. Круговороты веществ и потоки энергии в природе 7

4. Биосфера, техносфера, ноосфера. 12

Список используемой литературы 15 

1.Классификация  организмов по  способу питания

     Все организмы по способу питания  разделяются на две группы – автотрофы  и гетеротрофы.

     Автотрофы (преимущественно растения) для синтеза  органических веществ используют неорганические соединения окружающей среды.

     Гетеротрофы (животные, человек, грибы, бактерии) питаются готовыми органическими  веществами, которые синтезировали автотрофы.

     Гетеротрофы делятся на две категории - консументы и редуценты. Первые потребляют готовые органические вещества, синтезируемые автотрофами-продуцентами, но не доводят разложение органических соединений до минеральных составляющих. К консументам относятся по преимуществу животные, включая, естественно, и человека. Редуценты - заключительное звено в пищевой цепи и экологической пирамиде. В ходе своей жизнедеятельности они превращают органические соединения (часто это органические остатки) в неорганические вещества. Редуценты - грибы и бактерии , превращающие органическое вещество в минеральное, разлагая остатки мертвых растений, животных микроорганизмов. Продукты минерализации вновь используются продуцентами. 

2. Экологическая ниша. Пищевые цепи, сети. Пирамиды

     Экологическая ниша

     Живущие на Земле организмы очень разнообразны. Это разнообразие поддерживается изменчивостью  физических условий, как в пространстве, так и во времени. Организмы распределены по своим местообитаниям не случайно. Каждый вид занимает то место, которое  обусловлено его требованиями к  пище, территории, воспроизводству  и другими функциями организма.

     Совокупность  всех факторов среды, в пределах которых  возможно существование вида в природе  называется экологической нишей  данного организма.

     Как бы ни были близки два вида организмов, они всегда занимают разные экологические  ниши.

     Справедливо также то, что один и тот же вид может занимать различные  ниши в разных местообитаниях или  географических районах. Можно дать такое определение: экологическая  ниша- это место вида в природе, включающее не только положение вида в пространстве, но и функциональную роль его в сообществе.

     Экологи часто пользуются терминами "местообитание" или "среда обитания" для обозначения  места, где живет тот или иной вид, а термин "экологическая ниша" включает в себя ту роль, которую  играет данный вид в среде обитания.

     Лучшие  определения экологической ниши и среды дали Виберт и Лаглер: «Среда – это адрес, по которому проживает данный организм, тогда  как ниша дополнительно указывает  на его занятие, его профессию».

     Основные  типы пищевых цепей

     В экосистеме (биогеоценозе) первичное  органическое вещество последовательно  передается от одних живых организмов к другим по цепи. Эта цепь называется трофической (от греч. "трофе" – питаюсь).

     Основные  типы пищевых цепей- пастбищная и  детритная.

     Пастбищной  пищевой цепью называется ряд  живых организмов, в котором каждый вид питается предшественником по цепи и в свою очередь оказывается  съеденным видом, занимающим более  высокий пищевой уровень. Начало пастбищной цепи - автотрофные организмы (продуценты), которые относятся  к первому трофическому уровню. Они  создают первичное органическое вещество, используя для этого  солнечный свет, углекислоту, воду и  минеральные вещества.

       На втором трофическом уровне находятся организмы, которые питаются автотрофами - это растительноядные животные, которые строят белки своего тела из белков растений, они называются гетеротрофами (питаемые другими) или первичными консументами ( от лат. "консумо" – потребляю). Далее, в третьем звене - вторичные консументы, плотоядные животные (хищники), использующие животные белки. Существуют консументы третьего порядка, питающиеся вторичными консументами. Цепи могут быть простые "осина – заяц – лиса" и сложные – "трава – насекомые – лягушки – змеи – хищные птицы".

     На  этом цепь не кончается, так как во всех предыдущих звеньях образуются отходы – листья, отмирающие организмы, отбросы и др. Эти отходы поступают  в следующее звено – в детритные  пищевые цепи, в которых организмы  потребляют мертвое органическое вещество, последовательно разлагая его на все более простые соединения.

     К этой группе организмов относятся редуценты ( от лат. «редукцио» - возврат) или (деструкторы), состоящие из микроорганизмов (бактерий, грибов) и детритофаги (двухстворчатые моллюски, коловратки, дождевые черви, личинки насекомых и др.). Они  разлагают органические остатки  всех трофических уровней до минеральных  веществ (сюда входит примерно 45 % кислорода, 44 % водорода, 6,5 % азота, 1,5 % воды с кальцием, кремнием, калием и фосфором).

     Присутствие детритных пищевых цепей необходимо в каждой экосистеме, так как они  замыкают круговорот элементов, который  без участия живых организмов проходил бы крайне медленно.

     Пищевые цепи не изолированы одна от другой, а тесно переплетены. Они составляют так называемые пищевые сети. Принцип  образования пищевых сетей состоит  в следующем. Каждый продуцент имеет  не одного, а несколько консументов. В свою очередь , консументы, среди  которых преобладают полифаги (от греч. «Poly»- много), пользуются не одним, а несколькими источниками питания.

     Пирамиды  численности, биомассы, энергии

     Различают три основных типа экологических  пирамид:

     1. пирамида численности (число особей/ м 2) - отражает численность организмов  на разных трофических уровнях;

     2. пирамида биомасс характеризует  общую сухую массу живого вещества  на разных трофических уровнях  (сухая масса органического вещества, г/ м2);

     Пирамиды  численности отражают только плотность  населения организмов на каждом трофическом  уровне, но не скорость самовозобновления (оборота) организмов. Если скорость воспроизводства  популяции жертвы велика, то даже при  низкой биомассе такая популяция  может быть достаточным источником пищи для хищников, имеющих более  высокую биомассу, но низкую скорость воспроизводства. В этом случае пирамиды численности и биомассы могут  быть перевернутыми, то есть низкие трофические  уровни могут иметь меньшие плотность  и биомассу, чем высокие уровни. Например, в случае пастбищных пищевых  цепей леса, когда продуцентом  служит дерево, а первичными консументами - насекомые, уровень первичных консументов  численно богаче особями уровня продуцентов. Перевернутая пирамида биомассы свойственна  водным экосистемам, где первичные  продуценты (фитопланктонные водоросли) очень быстро делятся, а их потребители (зоопланктонные ракообразные) гораздо  крупнее, но имеют длительный цикл воспроизводства.

     3. пирамида энергий (Дж/ м2 * год) показывает величину энергетического потока или «продуктивность» на последовательных трофических уровнях.

     Энергетическая  пирамида всегда сужается кверху при  условии, что учтены все источники  энергии, поступающей в систему  с пищей. С пирамидой энергий  связан закон, сформулированный в 1942 г. Р. Линдеманом, согласно которому с  одного трофического уровня экологической пирамиды на другой переходит не более 10% энергии. Его следствием является ограниченная длина пищевых цепей. Из закона вытекает важное правило: максимальный переход с одного трофического уровня на другой порядка 10% энергии не ведет к пагубным для экосистем последствиям. Использование правила 10% позволяет определять возможный и безопасный объем промысла особей.

3. Круговороты веществ и потоки энергии в природе

     Все вещества на Земле находятся в  биохимическом кpуговоpоте – большом (геологическом) и малом (биотическом). В большом круговороте, длящемся миллионы лет, участвуют горные породы, которые выветриваются, сносятся в  Мировой океан, образуют напластования  и в процессе перемещения морей, океанов, материков могут возвратиться на сушу, где снова подвергаются выветриванию.

     Круговорот  кислорода

     В последние 20 миллионов лет содержание кислорода в атмосфере стабилизировалось. Современная атмосфера содержит около 1/20 части кислорода, имеющегося в биосфере. По содержанию в атмосфере  он является вторым после азота газом. Однако именно потому, что кислород содержится в земной коре повсеместно, экологи уделяют его круговороту  меньше внимания, чем круговоротам углерода, азота, фосфора и др. В  атмосфере кислород содержится в  виде О₂, СО₂, О₃, в воде – в растворенном виде как газ и в соединении с водородом – Н₂О, в литосфере - в форме различных оксидов (Fe₂O₃, Na₂O, Mg O, SiO₂, K₂O и т.д.) и солей (CaCO₃ и др.). Самый большой фонд кислорода находиться у поверхности Земли в виде углекислого кальция осадочных пород, но за исключением небольшого количества, освобождаемого в результате вулканической деятельности, он недоступен в этом виде живым организмам

     В биохимическом круговороте участвует  в основном атмосферный кислород. Образование свободного кислорода  происходит главным образом в  результате фотосинтеза растений, а потребление – в ходе дыхания, реакции окисления (в том числе сжигания топлива) и других химических преобразований.

     Общее количество свободного кислорода оценивается  в 1,18*1015т. Это количество накопилось за все время существования земной растительности. Сейчас свободный кислород образуется со скоростью примерно 1,55*109 т/год, а расходуется со скоростью  около 2,1610 т/год. Таким образом, расход кислорода больше его поступления  в атмосферу. Пока усиление техногенного потребления кислорода, а также  вырубка лесов не привели к  заметному снижению содержания свободного кислорода в атмосфере, но наметившаяся тенденция этого процесса в перспективе  опасна. Зеленые растения освобождают  в год около 1/2500 содержания кислорода  в атмосфере, поэтому время его  круговорота в атмосфере составляет примерно 2500 лет.

     Круговорот  углерода

     Биологический круговорот углерода проще круговорота  кислорода, так как в нем участвуют  только органические соединения и диоксид  углерода. Фонды углерода в атмосфере  обширны. Основная его масса аккумулирована в карбонатных отложениях дна  океана (1,3*1016 т), в кристаллических  породах (1*1016 т), каменном угле и нефти (0,34*1016 т) В атмосфере углекислого  газа относительно немного (1,3*1012 т.), менее 1/10000 общего запаса углерода.

     Биологический круговорот углерода протекает по схеме: биоассимиляция углерода из атмосферы, водной или наземной среды растениями – потребление органических соединений животными – окисление органических веществ до углекислого газа в  процессе дыхания и разложения отходов  – возврат углекислого газа в  атмосферу. Если принять за 100% углерод, ассимилированный растениями в ходе фотосинтеза, то примерно 30% возвращается в фонд атмосферного углекислого  газа в результате дыхания растений, а остальные 70% обеспечивают дыхание и продукцию животных, бактерий и грибов в растительноядных и детритных пищевых цепях.

     В наземных экосистемах в круговорот вовлекается ежегодно 12% содержащегося  в атмосфере углекислого газа. Поэтому углерод сравнительно быстро циркулирует между атмосферой, гидросферой  и живыми организмами. Время переноса атмосферного углерода равно примерно восьми годам. В связи с этим система  круговорота атмосферного углерода значительно более чувствительна  к внешним воздействиям, чем таковая  кислорода. С середины XIX в. ускорился  процесс перехода углекислого газа в атмосферу за счет сжигания топлива. Его содержания в атмосфере увеличилось  на 22% и продолжает расти. Такое положение  вызывает серьезную озабоченность, так как нарушается сложившееся  в природе энергетическое равновесие.

     Круговорот  азота

     Азот  – один из главных биогенных элементов. Основным резервуаром газообразного  азота служит атмосфера (78% объема воздуха).

     Однако  в отличие от углекислого газа круговорот азота связан с рядом  особенностей. Во-первых, усваивать  азот из воздуха могут только отдельные  виды так называемых азотфиксирующих  организмов – некоторые сине-зеленые  водоросли и симбиотические бактерии бобовых растений. Во-вторых, являясь  химически весьма инертным, азот не принимает непосредственного участия, как углерод, в высвобождении  энергии при дыхании, он только входит в состав белков и нуклеиновых  кислот. В-третьих, разложение азотсодержащих веществ с выделением газообразного  азота осуществляется, как правило, в несколько стадий с помощью  целого ряда специализированных микроорганизмов. В связи с этим большая часть  биохимических превращений происходит в почве, где доступность азота  растениям облегчается растворимостью его неорганических соединений.

     Содержание  азота в тканях живых организмов около 3%. В окружающую среду органический азот попадает в виде аминогруппы NH2 или мочевины CO(NH2)2. Процессы аммонификации  и нитрификации происходят при участии  специализированных бактерий. При недостатке кислорода в почве бактерии могут  использовать кислород нитратов и нитритов. В процессе денитрификации азот переводиться в газообразное состояние и частично фиксируется клубеньковыми растениями, а остальная часть удаляется  из активных фондов почвы и попадает в виде свободного азота в атмосферу.

     В естественных условиях процессы связывания и освобождения азота уравновешивают друг друга. Искусственное внесение азота с удобрениями достигло 30 млн. т. в год и сравнялось с  естественным потоком азота в  биосфере, что привело к избытку  азота в некоторых почвах и  водоемах. Однако глобального нарушения  круговорота азота пока не произошло.

     Круговорот  фосфора

     К круговоротам основных химических элементов, имеющих газовую фазу, примыкают  так называемые осадочные круговороты. Минеральный фосфор – редкий элемент  в биосфере, его содержание в земной коре не превышает 1%.

     Основным  источником фосфора служат изверженные  и осадочные породы.

     Неорганический  фосфор из пород земной коры вовлекается  в циркуляцию при их выщелачивании  и растворении в континентальных  водах. На суше неорганический фосфор поглощается растениями и переводится  в состав живого вещества растений и потребляющих растения животных. Затем органические фосфаты вместе с трупами, отходами и экскрементами животных возвращаются в землю, подвергаются переработке микроорганизмами и снова включаются в круговорот

     Фосфор  доступен растениям только в узком  диапазоне кислотности – в  слабокислой среде, при другой кислотности  он переходит в нерастворимые  соединения, и становиться недоступным  для них.

     С текучими водами фосфор поступает в  водоемы в виде фосфатов. Если на суше его круговорот происходит в  сравнительно благоприятных условиях, то в водоемах дело обстоит сложнее. Отмершие организмы накапливаются  в донных отложениях. Разложение органики вблизи дна замедлено вследствие недостаточного притока кислорода. Минерализованный фосфор образует нерастворимые  соединения с трехвалентным железом, кальцием и прочно удерживается в  осадке. Происходит обеднение фосфором верхних слоев воды. Это обстоятельство ограничивает развитие водной растительности.

     Во  многих водоемах возврат фосфора  из донных отложений происходит в  основном только при сезонном перемещении  вод. В мелких водоемах важную роль в поддержании круговорота фосфора  играет его анаэробный возврат –  в этом случае в водоеме создаются  восстановительные условия. При  этом железо переходит в растворимую  двухвалентную форму с одновременным  высвобождением растворимых фосфатов. Фосфаты возвращаются в верхние  слои воды с пузырьками метана, сероводорода и при перемешивании вод. Анаэробный возврат фосфора в жаркое время  нередко бывает причиной массового  «цветения» водоемов.

     Круговорот  воды

     Роль  воды в происходящих в биосфере процессах  огромна. Без воды невозможен обмен  веществ в живых организмах. С  появлением жизни на Земле круговорот воды стал относительно сложным, так  как к простому явлению физиологического испарения добавился более сложный  процесс биологического испарения (транспирация), связанный с жизнедеятельностью растений и животных.

       Кратко круговорот воды в природе можно описать следующим образом. Вода поступает на поверхность Земли в виде осадков, которые образуются главным образом из водяного пара, попадающего в атмосферу в результате физического испарения и испарения воды растениями. Одна часть этой воды испаряется прямо с поверхности водных объектов или косвенно, при посредстве растений и животных, а другая питает подземные воды.

     Поток воды в гидрологическом цикле  определяется испарением, а не осадками. Способность атмосферы удерживать водяной пар ограниченна. Увеличение скорости испарения ведет к соответствующему увеличению осадков. Вода, содержащаяся в воздухе в виде пара в любой  момент, соответствует в среднем  слою толщиной 2,5 см., равномерно распределенному  по поверхности Земли. Количество осадков, выпадающих в год, составляет в среднем 65 см. Следовательно, водяные пары атмосферного фронта ежегодно совершают круговорот примерно 25 раз (раз в две недели). 
Содержание воды в водных объектах и почве в сотни раз больше, чем в атмосфере, однако она протекает через два первых фонда с одинаковой скоростью. Среднее время переноса воды в ее жидкой фазе по поверхности Земли около 3650 лет, в 10000 раз больше, чем время ее переноса в атмосфере. Человек в процессе хозяйственной деятельности оказывает сильное воздействие на основу гидрологического цикла – испарение воды.

     Глобальные  круговороты жизненно важных биогенных  элементов распадаются в биосфере на множество мелких круговоротов, приуроченных к локальным местам обитания различных биологических  сообществ. Они могут быть более  или менее сложными и в разной степени чувствительными к различного рода внешним воздействия. Но природа  распорядилась так, что в естественных условиях эти биохимические круговороты  являются «образцовыми безотходными технологиями». Цикличность охватывает 98-99% биогенных  элементов и лишь 1-2% уходит даже не в отходы, а в геологический запас.

     Потоки  энергии и вещества в экосистемах

     Поток энергии - переход энергии в виде химических связей органических соединений (пищи) по цепям питания от одного трофического уровня к другому (более  высокому).

     Строгое измерение циркулирующего в экосистеме вещества можно получить, учитывая круговорот отдельных химических элементов, прежде всего тех, которые являются основным строительным материалом для  цитоплазмы растительных и животных клеток.

     В отличие от веществ, которые непрерывно циркулируют по разным блокам экосистемы и всегда могут вновь входит в  круговорот, энергия может быть использована только один раз.

     Односторонний приток энергии как универсальное  явление природы происходит в  результате действия законов термодинамики:

     1. первый закон утверждает, что  энергия может переходить из  одной формы (например, энергия  света) в другую (например, потенциальную  энергию пищи), но она никогда  не создается вновь и не  исчезает;

     2. второй закон гласит, что не  может быть ни одного процесса, связанного с превращением энергии,  без потери некоторой ее части.  В таких превращениях определенное  количество энергии рассеивается  в недоступную тепловую энергию  и, следовательно, теряется.

     По  этой причине не может быть превращений, например, пищевых веществ в вещество, их которого состоит тело организма, идущих со 100% эффективностью.

     Существование всех экосистем зависит от постоянного  притока энергии, которая необходима всем организмам для поддержания  их жизнедеятельности и самовоспроизведения. Практически единственным источником всей энергии на Земле является Солнце. Однако далеко не вся его энергия  может усваиваться и использоваться организмами. Как отмечалось выше, лишь небольшая часть солнечной энергии  участвует в реакциях фотосинтеза  и лишь малая часть поглощенной  при этом энергии (от 1/100 до 1/20 части) запасается в виде биохимической  энергии (энергии пищи). Таким образом, большая часть солнечной энергии  теряется в виде тепла на испарение. В целом поддержание жизни  требует постоянного притока  энергии.

     Скорость  потока энергии - количество энергии, выраженное в энергетических единицах, перешедшее с одного трофического уровня на другой в единицу времени.

     Пищевая цепь - основной канал переноса энергии  в сообществе. По мере удаления от первичного продуцента скорость потока энергии  резко ослабевает, ее количество уменьшается. Это объясняется рядом причин:

     1. Перенос энергии с одного уровня  на другой никогда не бывает  полным, так как не вся энергия,  содержащаяся в любом виде  пищи бывает, доступна хищнику.  Усвоенная из пищи часть энергии  продуцентов расходуется им частично  на построение своего органического  вещества, частично - на движение, дыхание,  теплоотдачу; часть энергии теряется  в виде экскрементов и выделений,  а затем разлагается деструкторами.

     2. Устойчивые взаимосвязи между  хищниками и жертвами не позволяют  первым полностью выедать популяции,  за счет которых они существуют. По этой причине эффективность  переноса энергии от жертвы  к хищнику ослаблена выработанной  в процессе эволюции тактикой  избегания хищника.

     3. Не вся энергия, полученная  с пищей, переходит в биомассу, то есть не вся используется  на построение тела организма.  Часть ее теряется в виде  тепла в процессе дыхания. Это  объясняется тем, что ни у  одного из процессов преобразования  энергии КПД не равен 1 (в  соответствии со вторым законом  термодинамики), а также тем, что  любое животное, перемещаясь, охотясь,  строя гнездо или производя  иные действия, совершает работу, которая требует затрат энергии,  в результате чего опять происходит  выделение тепла.

     В соответствии со вторым законом термодинамики  процесс непрерывной передачи энергии  по трофической цепи сопровождается ее рассеиванием, потерями, ростом энтропии, компенсируемым постоянным поступлением солнечной энергии (для сравнения: 1 г сухого органического вещества растений содержит 18,7 кДж энергии).

     Падение количества энергии при переходе с одного трофического уровня на другой (более высокий) определяет число  этих уровней и соотношение хищников и жертв. Подсчитано, что на любой  данный трофический уровень поступает  лишь около 10% (или чуть более) энергии  предыдущего уровня. Поэтому общее  число трофических уровней редко  превышает три- четыре.

4. Биосфера, техносфера, ноосфера.

     Жизнедеятельность человека осуществляется в системе "человек - среда обитания". Часть природы, которая окружает живой организм, и с которой он непосредственно взаимодействует, можно назвать природной средой обитания.

     Система - совокупность функционально взаимосвязанных элементов, деятельность которых направлена на выполнение общей задачи. Несмотря на разнородность элементов по структуре и принципам функционирования, системная организация имеет много универсального, что позволяет изучать ее и устанавливать общие законы деятельности. Для системы "человек - среда обитания" характерно наличие определенных зависимостей.

1. Человек и среда обитания неразрывны и постоянны.
2. Среда обитания динамична по своему состоянию, и ее благополучие временное, до начала проявления опасного фактора.
3. Среда обитания всегда имеет опасные для человека факторы (аксиома БЖД).
4. Безопасность человека в среде обитания во многом определяется состоянием организма человека, уровнем информированности и адекватности поведения.

     Вначале человек жил в согласии с природой, брал от нее столько, сколько нужно  для жизни, но эволюция делала свое дело. Человек ставил себе на службу все новые виды энергии и создавал механизмы, машины, которые облегчали  ему существование. На Земле появились  созданные человеком заводы, фабрики, транспортные системы и другие технические  объекты, создавая искусственный технический  мир, превращая биосферу в техносферу. Этот технический мир находится  в явном противоречии с законами жизни на Земле.

     Биосфера - область жизни на Земле, включающая нижний слой атмосферы, гидросферу и верхний слой литосферы, не испытавшие техногенного воздействия.

     Техносфера - в прошлом регион биосферы, преобразованный людьми с помощью прямого или косвенного воздействия технических средств в целях наилучшего соответствия своим материальным и социально-экономическим потребностям; техносфера - регион города или промышленной зоны, производственная или бытовая среда.

     До  середины XX в. человек не обладал  способностью провоцировать крупномасштабные аварии и катастрофы и тем самым  вызывать необратимые экологические  изменения регионального и глобального  масштаба, соизмеримые со стихийными бедствиями.