Закономерности развития экосистем

Содержание

Содержание 2

Введение 3

Экологические системы 5

Основные  законы и принципы экологии 6

Закономерности  развития экосистем 11

Заключение 16

Литература 18

Введение

    Человечество (на достигнутом  уровне развития производительных сил) имеет реальные взаимосвязи с  частью природы, т.е. совокупностью  ресурсов и условий, представленных взаимодействующими между собой  лито-, гидро-, атмосферой, растительным и животным миром — географической средой и другими энергетическими  сферами, менее или более изученными. Область соприкосновения человека с элементами постепенно расширяется, охватывая космическое пространство, микромир, различные виды энергии, подземные  и морские глубины. Следовательно, расширяется и географическая среда  обитания человека. И пока существует человек, этот процесс будет беспредельным, как путь от незнания к знанию.

    Природа состоит из элементов, которые в  современной классификации подразделяются на природные условия и природные  ресурсы.

    Взаимодействия  человека с природой — проблема вечная и одновременно современная: человечество связано своим происхождением с природным окружением, существованием и будущим. Человек как элемент  природы является частью сложной  системы «природа — общество». За счет природы человечество удовлетворяет  многие свои потребности.

    Существование всех живых организмов на Земле неразрывно связано с окружающей средой. Растения и животные находятся не только в  тесной зависимости от неживой природы  и от других организмов, испытывая  их воздействие и приспосабливаясь к ним, но и, потребляя разнообразные  продукты окружающей среды, сами преобразуют  природу. Потребляемые вещества, необходимые  для жизни, называются биогенами. К  ним относятся химические вещества, абсолютно необходимые для существования  живых организмов и входящие в  их состав (молекулы кислорода, азота, углерода и т.д.), вещества, возникшие  в результате разложения остатков организмов, но еще не полностью минерализованные, вещества, образуемые растениями (например, лук, чеснок, хрен, так называемые фитонциды) и животными организмами и связанные с их жизнедеятельностью, а также вещества, которые оказывают стимулирующее действие на организмы (биогенные стимуляторы). К абиотическим компонентам окружающей среды, необходимым для существования живой природы, относятся атмосфера, почва, вода, солнечная энергия, воздействие радиации, электромагнитных и тепловых полей, т.е. такие условия воздействия окружающей среды, в которых живые организмы возникли и могут существовать. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Экологические системы

    К экологическим системам обычно относят  все живые системы вместе с  окружающей их средой, начиная от отдельной  популяции и кончая биосферой. Все  они являются открытыми системами, которые обмениваются с окружающей природной средой веществом, энергией или информацией. Наименьшей единицей экологии является совокупность организмов определенного вида, которые взаимодействуют  между собой внутри вида, а вид  как целостная система - с окружающей средой. Следовательно, ни молекулярный, ни клеточный, ни организменный уровни не рассматриваются в экологии, хотя и живая молекула, и клетка, и  тем более организм представляют собой открытые системы, которые  могут существовать благодаря взаимодействию со средой. Даже отдельные популяции  в чистом виде выделить трудно, поскольку  в естественной природе они объединяются в более обширные сообщества живых  систем и взаимодействуют также  с неживыми факторами среды.

    На  популяционном уровне различают  такие сообщества, или экологические  системы, как биоценозы и биогеоценозы, в которых сообщества живых организмов исследуются в тесной связи с  неорганическими условиями их существования, например, почвой, микроклиматом, гидрологией  местности и т. п. Еще более  крупным системным объединением в экологии считается биом, который  включает в свой состав живые системы  и неживые факторы на обширной территории, например, лиственные породы деревьев на среднерусской возвышенности. Наконец, биосфера охватывает, согласно В.И. Вернадскому, все живое, биокосное  и косное вещество на поверхности  нашей планеты. И хотя она в  известных пределах функционирует  автономно, но в конечном итоге может  существовать и развиваться только за счет энергии Солнца и потому является также открытой системой, которую в отличие от других систем называют экосферой.

Основные  законы и принципы экологии

    Способность человека мыслить помогает ему справляться  с действием обычных лимитирующих факторов, таких как пища и вода, хищники и паразиты, место обитания и конкуренция с другими видами. Человек поддерживает собственное  существование за счет эксплуатации водных, почвенных и энергетических ресурсов, тем самым влияя на планетарный  круговорот веществ — резко ускоряя  его. Возникший в процессе производственной деятельности новый обмен веществ  носит техногенный характер и  называется антропогенным обменом  веществ. Но биологический обмен  веществ между человеком и  природой остается постоянным условием жизни.

    Экологическое несовершенство состоит в том, что  коэффициент полезного использования  природных ресурсов очень низок, например, в отношении полезных ископаемых он составляет лишь 2—10 %. Ресурсы быстро истощаются, население Земли растет (в 1960 г. насчитывалось 3 млрд человек, в 1975 г. — 4 млрд, в 1987 г. — 5 млрд, в 1999 г. — 6 млрд, в 2010 г. — около 7 млрд человек). Вместе с тем гигантские отходы производства ухудшают среду обитания: они не разлагаются на исходные вещества, вновь поступающие в производство. В сложной иерархической организации  живой природы заложены огромные резервы саморегуляции, но чтобы  их вскрыть, требуется грамотное  вмешательство в процессы, протекающие  в биосфере. Всю производственную деятельность необходимо планировать  со строгим учетом возможных экологических  последствий.

    Проанализировав накопленные предшественниками  знания о фундаментальных законах  природы, современные ученые экологи  установили общие закономерности и  принципы взаимодействия человеческого  общества с природной средой, которые  в литературе часто именуются  законами экологии. Их значение состоит  в регламентации характера и  направленности человеческой деятельности в пределах экосистем различного уровня. Наибольшую известность благодаря  ярким формулировкам получили четыре закона-афоризма (закона-поговорки) американского ученого-эколога Б. Коммонера (1974):

    - «все связано со всем» — о всеобщей связи вещей и явлений в природе;

    - «все должно куда-то деваться» — закон сохранения;

    - «ничто не дается даром» — о цене развития;

    - «природа знает лучше» — о главном критерии эволюционного отбора.

    Из  закона «все связано  со всем» вытекает несколько следствий:

    - закон больших чисел: совокупное действие большого числа случайных факторов приводит к результату имеющему системный характер. Так, мириады бактерий в почве, воде и телах живых организмов создают особую, относительно стабильную микробиологическую среду, необходимую для нормального существования всего живого; случайное поведение большого числа молекул в некотором объеме газа обусловливает вполне определенные значения температуры и давления;

    - принцип Лe Шателъе (Брауна): при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в направлении, при котором эффект внешнего воздействия уменьшается. На биологическом уровне данный принцип реализуется в виде способности экосистем к саморегуляции;

    - закон оптимальности: любая система функционирует с наибольшей эффективностью в некоторых характерных для нее пространственно-временных пределах.

    Из  закона «все должно куда-то деваться» вытекают по меньшей мере два постулата, имеющих практическое значение:

    - закон развития системы за счет окружающей ее среды: любая природная или общественная система может развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей среды. Абсолютно изолированное саморазвитие невозможно;

    - закон неустранимости отходов или побочных воздействий производства: образующиеся в процессе производственной деятельности отходы неустранимы бесследно, они могут быть лишь переведены из одной формы в другую или перемещены в пространстве, а их действие — растянуто во времени. Таким образом, принципиально исключается возможность безотходного производства и потребления в современном обществе.

    Материя не исчезает, а лишь переходит из одной формы в другую, оказывая влияние на жизнь.

    Закон «ничто не дается даром» означает, что любое новое приобретение в эволюции экосистемы обязательно сопровождается утратой какой-то части прежнего достояния и возникновением новых, все более сложных проблем. К примеру, с появлением многоклеточных организмов (грибов, растений, животных) и выходом их на сушу во много раз увеличилось биоразнообразие планеты, началось освоение экологических ниш и формирование биосферы Земли. Но вместе с «многоклеточностью» к живым существам пришли старость и болезни, в том числе инфекции, злокачественные опухоли, паразитизм. Из этого закона вытекают три следствия:

    - закон необратимости эволюции (однонаправленности развития): большие системы эволюционируют только в одном направлении — от простого к сложному; инволюция, регресс могут относиться только к отдельным частям или некоторым периодам развития системы;

    - правило ускорения эволюции: с усложнением организации систем темпы эволюции возрастают. Это в равной степени относится к сменяемости видов в эволюции органического мира, к человеческой истории и к развитию техники;

    - следствие «не существует бесплатных ресурсов»: пространство, энергия, солнечный свет, вода, какими бы неисчерпаемыми они ни казались, неукоснительно оплачиваются любой расходующей их системой.

    Б. Коммонер писал: «...глобальная экосистема представляет собой единое целое, в  рамках которого ничего не может быть выиграно или потеряно и которое  не может являться объектом всеобщего  улучшения; все, что было извлечено  из нее человеческим трудом, должно быть возмещено. Платежа по этому  векселю нельзя избежать; он может  быть только отсрочен. Нынешний кризис окружающей среды говорит о том, что отсрочка очень затянулась».

    Закон «природа знает лучше» определяет прежде всего то, что может и что не должно иметь места в биосфере. Все в природе — от простых молекул до человека — прошло жесточайший конкурс на право существования. Сегодня планету населяет лишь одна тысячная часть испытанных эволюцией видов растений и животных. Главный критерий этого эволюционного отбора — вписанность в глобальный биотический круговорот, заполненность всех экологических ниш. У любого вещества, выработанного организмами, должен существовать разлагающий его фермент, и все продукты распада должны вновь вовлекаться в круговорот. С каждым биологическим видом, который нарушал этот закон, эволюция рано или поздно расставалась.

    Человеческая  индустриальная цивилизация грубо  разорвала замкнутость биотического круговорота в глобальном масштабе, что не может остаться безнаказанным. В этой критической ситуации должен быть найден компромисс, что под  силу только человеку, обладающему  разумом и готовностью к уступкам.

    К законам-афоризмам Коммонера современные  экологи добавили еще один —  закон «на всех не хватит» (закон ограниченности ресурсов). Очевидно, что масса питательных веществ для всех форм жизни на Земле конечна и ограниченна. Ее не хватает на вновь появляющихся в биосфере представителей органического мира, поэтому значительное увеличение численности и массы каких-либо организмов в глобальном масштабе может происходить только за счет уменьшения численности и массы других.

    На  противоречие между скоростью размножения  и ограниченностью ресурсов питания  применительно к народонаселению  планеты впервые в 1798 г. обратил  внимание английский экономист Т.Р. Мальтус, который именно этим пытался  обосновать неизбежность социальной конкуренции. В свою очередь Ч. Дарвин заимствовал  у Мальтуса понятие «борьба за существование» для объяснения механизма  естественного отбора в живой  природе.

    «На всех не хватит» — источник всех форм конкуренции, соперничества и  антагонизма в природе и, к  сожалению, в обществе. Классовая  борьба, расизм, межнациональные конфликты  не могут рассматриваться как  чисто социальные явления, поскольку  своими корнями они уходят во внутривидовую  конкуренцию, принимающую иногда гораздо  более жестокие формы, чем у животных. Существенное различие в том, что  в природе в результате конкурентной борьбы выживают лучшие, а в человеческом обществе — не всегда. 
 
 
 
 
 
 
 

Закономерности  развития экосистем

    К закономерностям развития экологических  систем относят:

    1) усложнение структуры и насыщение  видами;

    2) повышение целостности экосистемы;

    3) увеличение замкнутости и повышение  автономности;

    4) повышение степени преобразования  абиотических компонентов.

    В саморазвивающейся динамической системе  всегда присутствуют два типа подсистем: первая сохраняет и закрепляет ее строение и функциональные особенности, а вторая ориентирована на ее изменение. Благодаря этому система имеет  возможность самосохранения и развития в условиях обновляющейся среды  существования. Также наблюдается  тенденция всего сущего к усложнению организации путем нарастающей  дифференциации функций и подсистем. При этом выполняются законы ускорения  эволюции и вектора развития: развитие однонаправлено, а его темпы возрастают.

    Для живого формулируется закон необратимости  эволюции Л. Долло, согласно которому организм (популяция, вид) не может вернуться  к прежнему состоянию, уже осуществленному  в ряду предков. При этом действует  закон последовательности прохождения  фаз развития: фазы развития природной  системы могут следовать лишь в эволюционно и функционально  порядке, от простого к сложному, без  выпадения промежуточных этапов, но, возможно, с очень быстрым  их прохождением или эволюционно  закрепленным отсутствием.

    Закон сохранения массы в приложении к  экосистемам звучит следующим образом: баланс вещества в системе количественно  определяется разницей масс поступившего и вышедшего вещества за определенный промежуток времени.

    Пеpвое  начало теpмодинамики гласит, что энергия  не создается ни из чего и не исчезает в никуда, а только переходит из одной формы в другую. Независимо от формы, энергия означает способность  совершать работу.

    Втоpое начало теpмодинамики: энергетические процессы могут идти самопроизвольно  только при условии перехода энергии  из концентрированной формы в  рассеянную. То есть во всех процессах  некоторая часть энергии теряет свою способность совершать работу и ухудшает свое качество. Втоpое начало теpмодинамики также формулируется  через понятие энтpопии (мера беспорядка): процессы в изолиpованной системе  сопpовождаются pостом энтpопии.

    В откpытых системах, к котоpым относятся  и экологические, могут идти пpоцессы как с возpастанием, так и уменьшением  энтpопии. При этом в экосистеме вещество распределяется таким образом, что  в одних местах энтропия возрастает, а в других резко снижается. В  целом же, система не теряет своей  организованности или высокой упорядоченности. Способность системы снижать  неупорядоченность внутри себя иногда интерпретируют как способность  накапливать отрицательную энтропию - негэнтропию.

    Продолжая рассмотрение вопросов энтропии в экосистемах, стоит остановиться еще на двух положениях. Первое - положение Э.Шредингера, утверждающего, что упорядоченность организма (особи) всегда выше. чем окружающей его  среды и, следовательно, организм отдает в эту среду компоненты менее  организованные, чем те, которые  он из этой среды получает. Следовательно, правомерно положение Хаасе о  том, что организм питается негэнтропией, то есть энергетический показатель качества пищи всегда выше, чем тот же показатель продуктов диссимиляции.

    Большое значение в развитии экологических  систем имеет закон максимизации энергии и информации: система  всегда стремиться к максимальному  освоению поступающей к ней энергии  и информации, что определяет ее устойчивость и конкурентоспособность.

    Логическим  развитием закона максимизации энергии  и информации является закон минимума диссипации энергии Л. Онсагера или  принцип экономии энергии: при вероятности  развития процесса в некотором множестве  направлений реализуется то, что  обеспечивает минимум диссипации энергии. В качестве примеров минимальной траты энергии природных процессов можно привести такие далекие друг от друга естественные образования, как пчелиные соты и полигональные формы рельефа, представляющие собой те же шестигранники, но образующиеся в результате процессов промерзания-протаивания мерзлотных грунтов в тундре.

    С этими законами органически связан принцип Ле Шателье-Брауна: при внешнем  воздействии, выводящем систему  из устойчивого равновесного состояния, равновесие смещается в том направлении, в котором эффект внешнего воздействия  ослабляется. Отсюда вытекает принцип  тормозящего развития, суть которого сводится к тому, что в период наиболее интенсивного развития системы  возникают также и максимально  действующие тормозящие эффекты.

    В открытой в теpмодинамическом отношении  экосистеме мигpация вещества, энеpгии  и инфоpмации пpоисходит как между  элементами самой системы, так и  чеpез ее гpаницы. Следовательно, правомерен принцип энергетической проводимости, утверждающий, что поток энергии, вещества и информации в экосистеме должен быть сквозным и охватывать все ее компоненты.

    Важнейшее следствие из этого принципа - закон  сохранения жизни, сформулированный Ю.Н. Куржаковским. Он гласит: жизнь может  существовать лишь при движении через  живое тело потока веществ, энергии  и информации.

    Исходя  из pеального взаимодействия живых  оpганизмов, обpазующих экосистему, между собой и сpедой их обитания, пpавомеpно вычленить в любой экосистеме взаимообусловленные совокупности биотических и абиотических компонентов, а также факторы среды.

    Биоту, входящую в состав биогеоценоза или  элементарной экосистемы, пpинято называть биоценозом, а пространство им занятое  – биотопом. Cовокупности пpиpодных  фактоpов, в свою очередь, опpеделяют  и лимитиpуют pазвитие экосистем. Таким образом, абиотические компоненты в совокупности с биотическими и пpиpодными фактоpами, составляют экологические условия жизнеобитания.

    Наиболее  полно закономерности роста и  развития растений как экологических  систем изучены учеными-лесоводами на основе влияний древесных пород  в свободных посадках, когда человек  не вмешивается в формирование кроны.

    По  одной из классификаций различают  группу прямых влияний растений в  фитоценозе (контактные влияния: давление корней и охлестывание ветвями, срастание  корней и паразитизм при срастании  организмов - somedata.ru) и группу косвенных  влияний (изменение физических и  химических свойств, влажности, солевого режима почвы в результате корневых выделений, изменения климатических  факторов — затенения, газового состава  воздуха при выделении и усвоении фитонцидов, кронообразующая роль биологического поля).

    Химическая  природа соединений, выделяемых корнями  растений в почву, в настоящее  время уже расшифрована. Это витамины, сахара, органические кислоты, ферменты, гормоны, фенольные соединения. Состав корневых выделений неодинаков у  разных видов растений.

    Фенольные соединения являются тем компонентом, который определяет токсичность  корневых выделений данного вида растений для других видов. В аллелопатии  их называют «колинами». Эти соединения могут не оказывать угнетающего  действия на рядом растущие растения, но могут быть токсичными для определенных вредителей и возбудителей болезней. В этом случае они даже защищают соседнее растение от вредителей и  возбудителей болезни.

    Не  такой уж редкий случай, когда рядом  растущие растения оказывают благоприятное  влияние друг на друга посредством  корневых выделений, то есть растения могут обмениваться различными веществами через корни - somedata.ru. Например, корневые выделения горчицы стимулируют  рост гороха. Это явление называют взаимопомощью между растениями, на нем основан способ смешанных посевов.

    Есть  предположения, что корневые выделения  свеклы обладают свойствами антибиотиков, и поэтому посадка ее с некоторыми культурами, в частности с морковью, может оказать на них оздоравливающее  действие. При этом не следует забывать о соблюдении достаточного расстояния между растениями, так как мощная листва свеклы затеняет соседние культуры.

    Косвенное взаимодействие растений друг на друга  через почву лежит в основе правил чередования культур в  севообороте. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Заключение

    Когда в середине шестидесятых годов двадцатого столетия проблемы окружающей среды  оказались в центре внимания мировой  общественности, встал вопрос: сколько  времени в запасе у человечества? Когда оно начнет пожинать плоды  пренебрежительного отношения к  окружающей его среде? Ученые рассчитали: через 30-35 лет. Это время настало. Мы стали свидетелями глобального  экологического кризиса, спровоцированного  деятельностью человека. Вместе с  тем последние тридцать лет не прошли даром: создана более твердая  научная основа понимания проблем  окружающей среды, образованы регламентирующие органы на всех уровнях, организованы многочисленные общественные экологические  группы, приняты полезные законы и  постановления, достигнуты некоторые  международные договоренности.

    Однако  ликвидируются в основном последствия, а не причины сложившегося положения. Например, люди применяют все новые  средства борьбы с загрязнениями  на автомобилях и стараются добывать все больше нефти вместо того, чтобы  поставить под вопрос саму необходимость  удовлетворения чрезмерных потребностей. Человечество безнадежно стремится  спасти от вымирания несколько видов, не обращая внимание на собственный  демографический взрыв, стирающий  с лица земли природные экосистемы.

    Основной  вывод ясен: системы, противоречащие естественным принципам и законам, неустойчивы. Попытки сохранить  их становятся все более дорогостоящими и сложными и в любом случае обречены на неудачу.

    Чтобы принимать долгосрочные решения, необходимо обратить внимание на принципы, определяющие устойчивое развитие, а именно:

    - стабилизация численности населения;

    - переход к более энерго и ресурсосберегающему образу жизни;

    - развитие экологически чистых источников энергии;

    - создание малоотходных промышленных технологий;

    - рециклизация отходов;

    - создание сбалансированного сельскохозяйственного производства, не истощающего почвенные и водные ресурсы и не загрязняющего землю и продукты питания;

    - сохранение биологического разнообразия на планете. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Литература

1. Захаров Е.И., Качурин Н.М., Панферова И.В. Основы общей экологии:Учеб. пособие. - Тула: ТулГТУ, 2009.
2. Стадницкий Г. В., Родионов А. И. Экология. - М.: Высш. шк., 2003.
3. Реймерс Н. Ф. Охрана природы и окружающей человека Среды: Словарь-справочник . - М.:Просвещение, 2006.
4. Материалы сайта http://www.zadachi.org.ru