Экология биосферы: энергетика, продуктивность



Pdf көрінісі
бет1/2
Дата14.10.2018
өлшемі291.79 Kb.
#87133
  1   2

Г.С. Розенберг

Российская академия наук

Отделение биологических наук

Институт экологии Волжского бассейна

ЭКОЛОГИЯ БИОСФЕРЫ:

ЭНЕРГЕТИКА, 

ПРОДУКТИВНОСТЬ



Биосфера – оболочка

Земли, населенная

живыми организмами, 

активно ими

преобразуемая.

Жизнедеятельность

организмов – это мощ-

нейший фактор плане-

тарного масштаба, 

обеспечивающий посто-

янный биогенный поток

атомов из организмов в

среду и обратно, который

не прекращается ни на

секунду. 


Термин

«биосфера»

появился в

науке в 1875 г., однако первые

представления о биосфере

складывались уже в начале XIX в. 

Эти первые представления

были, в частности, отражены

в работе "Гидрология"



Ж.Б.Ламарка (1802). Не поль-

зуясь понятием «биосфера»,         

он писал, что «все вещества, 

находящиеся на поверхности

земного шара и образующие

его кору, сформировались

благодаря деятельности

живых организмов». 



Жан Батист Пьер Антуан де Моне Ламарк

Jean Baptiste Pierre Antoine de Monet Lamarck (1744–1829)

Александр Гумбольдт в 1845 г.  в

своем фундаментальном труде

"Космос" одноразово использовал

понятие


«жизнесфера»

.  


Вплотную к понятию

«биосфера»

подошел французский географ Элизе



Реклю. Одна из основных его работ –

12-томная "Земля. Описание жизни

земного шара" (1868-1872 гг.); в Х томе

этой работы, который называется

"Жизнь на Земле", встречаем такие

слова:


«Вся совокупность живых существ на

поверхности планеты образует как бы

своего рода тонкую оболочку или покров;  

...мы должны признать, что жизнь на Земле

едина. Как бы далеко растения, животные и

люди не расходились друг от друга, как бы

они не различались своим видом и

строением, все они все-таки, прежде всего, 

дети Земли…». 

Александр Гумбольдт

Alexander Humboldt

(1769–1859)

Элизе Реклю

Jean Jaques Elisée

Reclus (1830-1905)


Термин

«биосфера»

первым ввёл в 1875 г. 

австрийский геолог Эдуард Зюсс,  а учение

о биосфере было создано в 1926 г.             



Владимиром Ивановичем Вернадским.

Эдуард Зюсс

Eduard Suess (1831-1914)

Владимир Иванович

Вернадский (1863-1945)

Биосфера является одной из геологических

оболочек Земли или геосфер. На Земле также

различают: 

литосферу

твёрдую



наружную оболоч-

ку Земли,  состоя-

щую из осадочных

пород и располо-

женных под ними

гранитов и базаль-

тов;

гидросферу

вклю-



чающую в себя все

океаны, моря, реки; 



атмосферу

газо-



вая оболочка Земли.

В состав биосферы входят верхние слои

литосферы

, нижний слой



атмосферы

(

тропосфера

) и вся

гидросфера

связанные между собой сложными



круговоротами веществ и энергии. 

Нижний предел жизни на Земле (до

глубины 3 км) ограничен высокой

температурой земных недр, верхний

предел (20 км) – жёстким излучением

ультрафиолетовых лучей.



Живые организмы распределены в пределах

биосферы неравномерно. Жизнь сосредоточена

главным образом на границе соприкосновения

литосферы, гидросферы и атмосферы,  т. е. на



поверхности суши и океана

Совокупная биомасса Земли составляет



примерно 2,4 • 10

12

т;

97% из этого количества занимают растения,

3% – животные. 

Биомасса океана составляет примерно 0,13% 

биомассы суши.  Это связано с меньшей

эффективностью фотосинтеза в растениях

Мирового океана: использование лучистой

энергии Солнца на площади Мирового океана

равно 0,04%, на суше – 0,1%.



Вернадский выделил в биосфере несколько

типов веществ: 

• живое вещество

– биомасса всех живых

организмов, 

• биогенное вещество

– вещество, созданное

живыми организмами (нефть, газ), 

• косное вещество

– вещество, образованное без

участия живых организмов (вода, песок и т.д.), и

• биокосное вещество

– вещество, созданное

одновременно живыми организмами и неживой

природой (почва). 

Главную роль в биосфере играет



живое

вещество

или биомасса живых существ. 



Еще в книге "Химическое строение биосферы Земли и ее окружения", 

вышедшей в 1922 г.,   В.И. Вернадский выделил 7  типов земного

вещества,  из которых слагается биосфера;   с учетом некоторых

поправок эти типы представлены в таблице. 



абиогенное вещество

внеземного происхождения

(синоним:  вещество

космического

происхождения)



абиогенное вещество

земного

происхождения

(синоним:  

косное

вещество


)

абиоген-

ное

?

биогенное вещество

а)  необиогенное

б)  палеобиогенное

(синоним:  

органогенное вещество)

биогенное

Неживое

неизвестно

неизвестно

абиоген-

ное

неизвестно



живое вещество

(синонимы:  биос, 

биота)

биогенное

Живое

внеземного

происхождения

земного

происхождения

исходному

веществу

вещества

Типы вещества

Градации

по

Характер


Функции живого вещества: 

• газовая

– поддержание постоянного газового

состава атмосферы (

кислород пополняется за счет

фотосинтеза в растениях, углекислый газ – за счет

дыхания организмов

); 


• концентрационная

– способность живого

вещества активно поглощать из внешней среды и

накапливать определенные элементы, 

приводящая к образованию полезных ископаемых

(

уголь – концентрированный углерод, мел – кальций и



др

.); 


• окислительно-восстановительная

способность

, благодаря которой осуществля-

ется круговорот веществ в биосфере (

бактерии-

хемосиликаты

).


В основе учения Вернадского

лежат представления о



планетарной геохимиче-

ской роли живого вещест-

ва

и о самоорганизованности

биосферы.  В.И. Вернадский

писал:  


«... на земной поверхности

нет химической силы, более

постоянно действующей,          

а потому более могущест-

венной,  чем сила живых

организмов». 



По своей массе живое вещество составляет очень малую

часть биосферы – равномерно распределенное по всей

поверхности она покроет Землю слоем всего в 2 см

Обновление всего живого вещества

биосферы Земли осуществляется

в среднем за ………………………………………… 8 лет;      

вещество наземных растений

(фитомасса суши) обновляется за ……………… 14 лет;       

в океане вся масса живого вещества

обновляется за …………………………………….. 33 дня;       

фитомасса океана ……………………………… каждый день;  

полная смена вод в гидросфере

осуществляется за ………………………………… 2800 лет;  

в атмосфере смена кислорода

происходит за ………………………….   несколько тысяч лет;   

углекислого газа за ………………………………..

6,3 года. 



В зависимости от занимаемой площади В.И. Вернадский

различал (см. таблицу) 



жизненные пленки

(прослеживаются

на огромных расстояниях – планктонные сообщества

поверхности океана)  и



сгущения жизни

(более локальные

скопления – например,   Саргассово море,  впервые

описанное Христофором Колумбом 21 октября 1492 г.). 

Водные пустыни

(например,  в районе

Гавайских островов)

Пустыни


Область подземного

разряжения жизни



Зона разряжения

живого вещества

Прибрежные

Саргассовые

Рифовые


Апвеллинговые

Абиссальные

рифтовые

Береговые

Пойменные

Влажных дождевых лесов

тропиков и отчасти

субтропиков

Стоячие водоемы

Сгущения жизни

Планктонная

Донная

Наземная


Почвенная

Жизненные пленки

Океан

Суша (включая

континентальные

водоемы)

Формы

концентрации

жизни

В учении о биосфере выделяют следующие

основные подходы:

• энергетический

(связь биосферных явлений

с космическим излучением [прежде всего, 

излучением Солнца] и радиоактивными

процессами в недрах Земли); 

• биогеохимический

(роль живого в

распределении атомов в биосфере); 

• информационный

(принципы организации

и управления в живой природе); 

• пространственно-временной

(формирование

и эволюция различных структур биосферы); 

• ноосферный

(глобальные аспекты воздействия

человека на окружающую среду). 


КОНЦЕПЦИЯ БИОСФЕРЫ

Представление о самой крупной

экосистеме как взаимосвязанном

единстве живого,  биогенного, 

биокосного и косного веществ.

Самая существенная особенность

биосферы – биогенная миграция

атомов химических элементов



Таблица.  Биомасса, продукция и продуктивность

экосистем Земли

8

2

100

1884

802

510

Вся Земля

0,05

1

40

960

2

360

Мировой

океан

0,2

3

8

160

1,5

30

Континентал

ьный шельф

0,01

1

32

800

0,5

330

Открытый

океан

1,3

4

60

924

800

150

Суша

2

0,2

1

8

2

50

Пустыня, 

тундра

0,2

2

0,5

10

0,1

2

Озера, реки

1

3

5

6

5

14

Пашня

4

4

13

300

50

33

Травостой, 

кустарник

19

8

40

600

750

51

Леса, болота

Время

оборота, 

год

Первичная

продуктив-

ность, 

тС/га•год

Первич-

ная про-

дукция, 

ГтС/год

Биомасса

МтС** 

животных

Биомасса

ГтС* 

растений

Площадь



10

6

км

2

Экосистемы

* ГтС - гигатонны углерода (10

9

),   ** МтС - мегатонны углерода (10

6

).

Рис. Сравнение вер-

тикального распре-

деления первичной

продуктивности и

биомассы в лесу (для

молодого дубово-

соснового леса) 

и в море (для северо-

западной Атлантики; 

Одум, 1975). 



Рис.  Продуктивность биоты Земли в живом весе, кг/м

2

в год

1 — 0,25;   2 — 0,25—1,0;   3 — 1,0—2,0;   4 — 2,0—3,75;   5 — 3,75—7,5;      

6 — 7,5—12,5;   7 — больше 12,5


Георгий Георгиевич Винберг

(1905-1987)

Винберг Г.Г.  Первичная про-

дукция водоемов. – Минск: АН

БССР, 1960. – 329 с.  (С. 6.):

Нам представляется, что… следует

считаться с установившейся прак-

тикой употребления терминов

«продукция» и «продуктивность» в

широком смысле, точнее во многих

различных смыслах. Надо только, 

чтобы в каждом отдельном случае

было ясно, какое значение прида-

ется этим терминам… Первичная

продукция… является первым

звеном продукционного процесса. 

Конечная продукция, которая в

разных формах изымается из био-

тического круговорота, – конечным

звеном. 


Суммарный вылов гидробионтов ведущими

рыболовными государствами (тыс. т) [ФАО, 2003 г.]

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Кита

й

Пе

ру

СШ

А

Инд

он

ез

ия

Яп

он

ия

Ин

дия Чи

ли

Рос

си

я

Тай

ла

нд

Но

рв

ег

ия

Ф

ил

иппи

ны

Ис

ла

дн

ия

Вь

ет

на

м

Р.

Кр

ея

Ме

кс

ик

а

Мь

ян

ма

Ма

ла

йзи

я

Ба

нг

ла

де

ш

Ки

та

й-

Та

йв

ан

ь

Кан

ад

а

Да

ни

я

1999

2000

2001

2002

2003

Вылов рыбы и беспозвоночных в океанах и

океанических районах Земли [ФАО, 2003 г.]

22,9

12,6

6,5

3,9

48,6

24,8

12,6 11,2

9,6

0,14

0

10

20

30

40

50

60

Ат

ла

нти

че

ск

ий

 ок

еа

н

в 

т.

ч. 

Се

ве

рн

ая

 Ат

ла

нт

ик

а

Це

нтра

льн

ая

 А

тл

ант

ика

Юж

ная

 Ат

лан

ти

ка

Ти

хий

 о

кеан

в 

т.

ч. 

Се

ве

рна

я 

Па

ци

фи

ка

Це

нта

ль

ная

 Па

ци

ф

ика

Юж

ная

 Па

ци

ф

ика

Ин

ди

йск

ий

 о

ке

ан

Ю

жн

ый

 ок

еа

н

Мировая продукция аквакультуры

(без водных растений) [ФАО, 2003 г.]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

в том числе в морских водах

Всего

0,1

Россия

0,56

Чили

0,54

США

0,58

Норвегия

0,9

Япония

2,2

Индия

26,8

Китай

Про-

дук-

ция

(млн. 

т)

Страны-

произво-

дители

(без водных

растений):

ГИПОТЕЗА АБИССАЛЬНЫХ

СГУЩЕНИЙ ЖИЗНИ

Абиссаль

– глубоководная (свыше 2000 м) зона

Мирового океана, характеризуемая постоянной

температурой (ниже 2

о

С) и бедностью животного



мира.  Сгущения жизни в этой огромной по

территории, считавшейся совершенно бесплод-

ной,   зоне были открыты

15 февраля 1977 г.

когда американский подводный аппарат «Алвин», 



с помощью которого проводились исследования

гидротермальных источников рифтов (зон

раздвижения земной коры),  в районе Галапа-

госских островов достиг дна Тихого океана на

глубине 2540 м.


Глубина 2460 м

"Черные курильщики" и

абиссальные сгущения

жизни. 

Трофическую нишу

фотоавтотрофов

которые, естественно, не могут существо-



вать в этих условиях, заняли

хемоавто-

трофные

микроорганизмы.  

Гидротермальные источники несут эндо-

генный сероводород (обязанный своим

происхождением глубинным геологическим

процессам),  который используют боль-

шинство хемоавтотрофов.

Таким образом,   происходит замена

солнечной на эндогенную энергию –

это главная особенность абиссальных

сообществ.


Погонофоры (Pogonophora; от греч. 

pogon – борода и phorós – несущий) –

тип морских беспозвоночных живот-

ных (кольчатых нитевидных червей, 

обитающих в хитиновых трубках). 

Первые находки – в

1914 г. 


В 1970-х годах на дне

Тихого океана (в гидро-

термальных «оазисах»)                        

были найдены новые

виды, которые отнесли

к новому классу пого-

нофор – вестименти-

ферам (Vestimentifera). 

Погонофора Riftia pachyptila; описана в 1981 г.

Мередит Джонсом (Meredith L. Jones; 1926-1996)


У нас в стране исследованиям погонофор, головохобот-

ных червей и пр. посвящены работы В.Н. Беклемишева,      

А.В. Иванова, В.В. Малахова, А.В. Адрианова и др.

Артемий Васильевич

Иванов (1906-1992)

Андрей Владимирович

Адрианов (г.р. 1964)

Владимир Васильевич

Малахов (г.р. 1951)

Владимир Николаевич

Беклемишев (1890-1962)

Абиссальные сгущения жизни

играют в биосфере особую

роль,   и их следует

рассматривать как возможный



новый источник жизни

в

случае прекращения ее на



основе фотосинтеза. 

"Вестиментиферы"

В глубинах ночных океанов, 

Куда не дотянемся мы, 

Из темного дна, из тумана

Крутые восходят дымы. 

Среди закипающей черни, 

Рождающей множество руд, 

Огромные плоские черви

В горячих растворах живут. 

Едят они серу на ужин, 

Вкушая от этих щедрот. 

Здоровью их даром не нужен

Полезный для нас кислород. 

И в час, когда вспыхнет пожаром

Земная недолгая плоть, 

И ядерным смертным ударом

Нас всех покарает Господь, 

И солнце погаснет и реки

Покроются пепельным льдом, 

Они лишь освоят навеки

В наследство оставленный дом. 

И ступит на цепкую лапу, 

Что станет позднее ногой, 

Начало другого этапа

И будущей жизни другой. 

Александр Моисеевич

Городницкий (г.р. 1933)


ГИПОТЕЗА ГЕОМЕРИДЫ

Беклемишева

Одна из первых гипотез

теоретической глобальной

экологии.  



Геомерида

– весь


живой покров Земли, 

рассматриваемый как целостная

иерархическая система, милли-

оны лет пребывающая в состоя-

нии динамического устойчивого

равновесия.



Если биосфера – высший

биотоп,  то Геомерида –

высший биоценоз.

Гипотеза предложена в 1931 г.                



В.Н. Беклемишевым

Владимир Николаевич

Беклемишев (1890-1962)

ГИПОТЕЗА ГЕИ

Лавлока – Маргулис

Представление о биологическом «контроле» на

биосферном уровне факторов абиотической

среды и существовании сложной,  живой, 

саморегулирующейся системы поддержания

на Земле условий благоприятных для жизни.

Атмосфера Земли,  создающая стабильные

и благоприятные условия для жизни,  сама

пребывает в крайне неустойчивом состоянии с

точки зрения законов химического равновесия: 

ее равновесие поддерживается самой жизнью, 

которая ранее создала современную атмосферу. 



Гипотеза Геи была предложена английским

химиком Джеймсом Лавлоком

и американским микробиологом

Линн Маргулис в 1975 г.

Джеймс Лавлок

James Ephraim Lovelock (г.р. 1919)

Линн Маргулис

Lynn Margulis (г.р. 1938)


У нас в стране сходные представления (проблемы

гомеостаза на уровне популяций,  сообществ и

биосферы в целом)  развивал И.А. Шилов и

развивает (биологическая регуляция окружающей

среды)  В.Г. Горшков

Игорь Александрович

Шилов (1921-2001)

Виктор Георгиевич

Горшков (г.р. 1935)


Рис.   Связь в ходе эволюции первичной продукции

биосферы и кислородного режима (по: Одум, 1975, с. 352):

• 1 – возникновение многоклеточных организмов,

• 2 – формирование запасов ископаемого топлива

Протерозой

Палеозой

Мезозой Кайнозой

Уровень О

2

20%

Первичная

продукция

1

2


В пользу

гипотезы Геи

свидетельствуют данные, 

приводимые в таблице (Lovelock, 1979;  цит. по: 

Одум, 1986, т. 1, с. 37). 



+13

+290

+477

53



Температура

поверхности,  

0

С

21

следы

следы

0,13

кислород

79

1,9

1,9

2,7

азот

0,03

98

98

95

двуокись

углерода

Содержание газов

в атмосфере, %

Земля

Земля

(без

жизни)

Венера

Марс

Параметры

ГИПОТЕЗА БИОТИЧЕСКОЙ

РЕГУЛЯЦИИ Горшкова

Представления о биотическом

механизме регуляции окружаю-

щей среды на основе высокой

степени замкнутости кругово-

рота углерода (высокой степени

скоррелированности потоков

синтеза и распада органическо-

го вещества), разрабатывае-

мые с начала 80-х годов

биофизиком В.Г. Горшковым.

Виктор Георгиевич

Горшков (г.р. 1935)


Регулирующая система «Гея» делает Землю сложной, 

но единой кибернетической системой.  

Дж. Лавлок согласен, что «поиски Геи» могут быть долгими и

трудными, поскольку в интегрированном механизме регуляции

такого масштаба должны участвовать сотни разных процессов.

Не все склонны принимать

эту гипотезу (М.И. Будыко,                                                        



Г.А. Заварзин и др.), считая,                                                      

что допускаемое авторами

относительное посто-

янство климата и

характер изменений

атмосферы – явления

маловероятные.

Михаил Иванович

Будыко (1920-2002)

Георгий Александрович

Заварзин (г.р. 1933)


ГИПОТЕЗА ОДНОНАПРАВЛЕННОСТИ

ПОТОКА ЭНЕРГИИ

Представление о потоке энергии через проду-



центы к консументам и редуцентам с

падением величины потока на каждом

трофическом уровне (в результате

процессов жизнедеятельности).  

Поскольку в обратный поток (от редуцентов к проду-

центам) поступает ничтожное количество от исходной

энергии (не более 0,25%),  

говорить о «кругово-

роте энергии» нельзя

. В известном смысле, данная

гипотеза представляет собой «экологическую интер-

претацию»



второго начала термодинамики

.


потока энергии

выступает

в качестве ограничителя

прямых аналогий и оценок

в «экологической валюте»

эколого–экономических

систем (

деньги циркулируют, 

а при обмене деньги и энергия

движутся в противоположных

направлениях

) – на это

указывал Говард Одум

Говард Одум

Howard T. Odum (1924-2002)

Именно


гипотеза однонаправленности

ГИПОТЕЗА КОНСТАНТНОСТИ

Вернадского

Количество живого вещества

биосферы для данного

геологического периода есть

величина постоянная. 

Биомасса организмов Земли (Базилевич и др., 1971, с. 48)

2,4232 

• 10



12

0,32 



10



10

0,3 

• 10



10

0,02 

• 10



10

2,42 



10



12

0,02 

• 10



12

2,4



10



12

Тонны

сух.

в-ва

Всего

итого

животные

и микро-

организмы

зеленые

растения

итого

животные

и микро-

организмы

зеленые

растения

веще-

ство

Океан

Континенты

Сухое

Процентное соотношение промыслового вылова рыб в

Куйбышевском водохранилище (Лукин и др., 1968;

Розенберг, Краснощеков, 1996)

54

35

17

Частиковые

41

62

80

Ценные виды рыб

(лещ, щука, судак)

1993

1967

1954-1960

Годы

Виды рыб

ПРИНЦИП МАКСИМИЗАЦИИ ЭНЕРГИИ

Лотки – Г. Одума – Пинкертона

В «соперничестве» с другими

экологическими объектами выживают

(сохраняются)  те из них,  которые

наилучшим образом способствуют

поступлению энергии и используют

максимальное ее количество

наиболее эффективным способом. 



Следует заметить, что этот

принцип

справедлив и в отноше-

нии

информации



, а вот максимальное поступление

вещества


как такового не гарантирует успеха экологическому объекту в

конкурентной борьбе с другими аналогичными объектами. 



Говард Одум

Howard T. Odum 

(1924-2002)

Альфред Джеймс Лотка

Alfred James Lotka

(1880-1949)      

публикация 1922 г.

Ричард Пинкертон

Richard C. Pinkerton

(публикация c

Г. Одумом 1955 г.)

ПРИНЦИП ЛЕ ШАТАЛЬЕ – БРУНА

Принцип был сформулирован в 1884 г.

Анри Луи Ле Шаталье

Henri Louis Le Chatelier (1850-1936)

Карл Фердинанд Браун

Karl Ferdinand Braun (1850-1918)

При внешнем воздействии,  выводящем си-

стему из состояния устойчивого равновесия, 

равновесие смещается в том направлении, в

котором эффект внешнего воздействия

ослабляется.

При этом,  чем больше отклонение от

состояния экологического равновесия, тем значительнее

должны быть энергетические

затраты для ослабления про-

тиводействия экосистем это-

му отклонению.

По-видимому, одними из пер-

вых применили этот принцип

на уровне аутэкологии американский

физиолог Ф. Пайк (F.H. Pike) в 1915 г.,                                      

а на уровне экологии сообществ –



Д.Н. Кашкаров в 1917-26 гг.

Даниил Николаевич

Кашкаров (1878-1941)

ПРИНЦИП НЕРАВНОВЕСНОЙ ДИНАМИКИ

Пригожина – Онсагера

Этот принцип обсуждался Л. Онсагером в 1931 г.  

и был развит в работах И. Пригожина 1947 г.  

и, особенно,  60-80-х годов. 



Ларс Онсагер

Lars Onsager (1903-1976)

Ил

ья Романович Пригожин

Ily

a Prigogine (1917-2003)

«Здесь мы подходим к одному из наших главных

выводов: на всех уровнях, будь то уровень

макроскопической физики, уровень флуктуаций

или микроскопический уровень, 

источником

порядка является неравновесность.  

Неравновесность есть то, что порождает

«порядок из хаоса»

Если устойчивые системы ассоциируются с

понятием детерминистического, симметричного

времени, то неустойчивые хаотические системы

ассоциируются с понятием вероятностного

времени, подразумевающего нарушение

симметрии между прошлым и будущим»

(Пригожин, Стенгерс, 1994, с. 357). 



Свойства открытых и закрытых систем

Поведение системы детерминиро-

вано определенное

Фундаментальная неопределен-

ность (

непредсказуемость



поведения системы

Элементы системы ведут себя, в

известной степени, независимо

друг от друга

Неравновесность – источник по-

рядка (

все элементы системы дей-



ствуют согласовано

) и сложности

Нечувствительность к флуктуа-

циям


Высокая чувствительность к

случайным флуктуациям

Одно стационарное состояние

Наличие большого числа

стационарных состояний

Для перехода из одной структуры

к другой требуются сильные

возмущения или изменения

граничных условий

Система адаптируется к внешним

условиям, изменяя свою структуру

Закрытые системы

Открытые системы


БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ

Вернадского

• Первый принцип.

Биогенная миграция атомов химиче-

ских элементов в биосфере всегда стремится к макси-

мальному своему проявлению. 

• Второй принцип.

Эволюция видов в ходе геологическо-

го времени, приводящая к созданию форм жизни, устой-

чивых в биосфере, идет в направлении, увеличивающем

биогенную миграцию атомов биосферы. 

• Третий принцип («всеюдности» или «давления» жиз-

ни).

В течение всего геологического времени, заселение

планеты должно было быть максимально возможное для

всего живого вещества, которое тогда существовало.



Биогеохимические принципы Вернадского

направлены на увеличение КПД биосферы в целом.

ПИЩЕВЫЕ ЦЕПИ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ

ПИРАМИДЫ

Внутри экосистемы органические вещества создаются

автотрофными организмами (например, растениями). 

Растения поедают животные, которых, в свою очередь, 

поедают другие животные. Такая последовательность

называется



пищевой цепью

; каждое звено пищевой цепи

называется

трофическим уровнем

(греч. trophos 

питание).

Поток энергии

через типичную

пищевую цепь


Организмы первого трофического уровня

называются



первичными

продуцентами

На суше большую часть



продуцентов составляют

растения лесов и лугов; 

в воде это, в основном, 

зелёные водоросли. 

Кроме того, производить

органические вещества

могут синезелёные

водоросли и некоторые

бактерии.


Организмы второго трофического уровня

называются



первичными консументами

третьего трофического уровня –



вторичными консументами

и т. д. 


Первичные консументы 

это травоядные животные

(многие насекомые, птицы

и звери на суше, моллюски

и ракообразные в воде) и

паразиты растений.



Вторичные консументы 

это плотоядные организмы: 

хищники либо паразиты.


Существует ещё одна группа организмов, 

называемых



редуцентами

Это



сапрофиты

(обычно, бактерии и грибы), питающие-

ся органическими остатками мёртвых растений и живот-

ных (


детритом

). Детритом могут также питаться живот-

ные (

детритофаги

), ускоряя процесс разложения

остатков.  Детритофагов, в свою очередь, могут поедать

хищники

.  В отличие от



пастбищных пищевых цепей

начинающихся с первичных продуцентов (то есть с живого



органического вещества),  

детритные пищевые цепи

начинаются с детрита (то есть с мёртвой органики).



Дождевые черви

Гриф

В схемах

пищевых

цепей

каждый организм

представлен питающим-

ся организмами какого-

то определённого типа. 

Действительность

намного сложнее,  и

организмы (особенно, 

хищники) могут питать-

ся самыми разными

организмами,  даже из

различных пищевых

цепей.  Таким образом, 

пищевые цепи перепле-

таются,  образуя

пищевые сети



Пример пищевой сети



ЗАКОН ПИРАМИДЫ ЧИСЕЛ Элтона

Число индивидуумов в после-

довательности трофических

уровней убывает и форми-

рует

пирамиду чисел

Закон предложен Ч. Элтоном



в 1927 г. 

Однако возможны исключения

из этого закона (тогда, закон

ли это?): например, тысячи

насекомых могут питаться

одним деревом…

Чарльз Элтон

Charles Sutherland Elton

(1900-1991)


Упрощённый вариант экологической пирамиды

В трофических

цепях, где энергия

передается в

основном через

связи системы

«хищник – жертва», 

закон пирамиды

чисел

наблюдается

особенно

отчетливо: общее

число особей, 

участвующих в

цепях питания, с

каждым звеном

уменьшается. 

ЗАКОН ПИРАМИДЫ БИОМАСС

Пирамиды биомасс

представляют

более фундаментальный интерес, так

как они дают «...картину общего

влияния отношений в пищевой цепи

на экологическую группу как целое»

(Одум, 1975).

Слева изображена прямая пирамида

биомасс, справа – перевёрнутая

Пример сезонного изменения

в пирамиде биомассы


ЗАКОН ПИРАМИДЫ ПРОДУКТИВНОСТИ

Более стабильная пирамида, чем



пирамида

чисел

или


пирамида биомасс

, которая в

значительно бóльшей степени отражает

последовательность трофических уровней.

Отношение каждого уровня

пирамиды

продуктивности

к ниже расположенному

интерпретируется как

эффективность

.  


Рис.  Три типа экологических пирамид для пищевой цепи

«люцерна – теленок – мальчик» (Одум, 1975, с. 107);

а – пирамида чисел,  b – пирамида биомасс,  с – пирамида продукции

Мальчик

1

Телята

4,5

а

b



c

Мальчик

4,7 • 10

4

г

Растения люцерны



*

10

7

Телятина 9,6 • 10

5

г

Растения люцерны

8,0 • 10

7

г

Прибавка человеческих

тканей

8,3 • 10

3

кал

Продуцировано телятины

1,2 • 10

6

кал

Продуцировано люцерны

1,5 • 10

7

кал

Получено солнечного света

6,3 • 10

10

кал

ЗАКОН ТОРМОЖЕНИЯ РАЗВИТИЯ

В период наибольших потенци-

альных темпов развития систе-

мы возникают максимальные

тормозящие эффекты

(следствие из



принципа

Ле Шаталье – Брауна

). 


МОДЕЛИ КРУГОВОРОТА ВЕЩЕСТВ В

БИОСФЕРЕ

Некоторые в достаточной степени упро-

щенные представления о циркуляции

основных химических элементов и

веществ в биосфере по характерным

путям из внешней среды в организмы

и назад во внешнюю среду.  

Эти в большей или меньшей степени

замкнутые пути и называют

биогеохимическими круговоротами

.


Каждый элемент или вещество имеет свою

собственную структуру биогеохимического

круговорота, отличающегося, по крайней мере

в количественных деталях, от циркуляции всех

других элементов.  Все эти циклы,  дополняе-

мые циклами воздуха и воды,  которые явля-

ются важной составной частью механизмов

круговорота веществ, дают основание говорить

о том, что локальные экосистемы земного шара

образуют вместе единую мировую экосистему



биосферу

...  Человек является частью

мировой экосистемы, и ее среда – это среда

человека» (Уиттекер, 1980, с. 312). 

«Биогеохимический круговорот и биогеохимические

связи суши, моря, атмосферы, почвы, пресных вод и

организмов весьма сложны.  

Роберт Уиттекер

Robert H. Whittaker

(1920-1980)


Рис.  Круговорот воды (1020  г/год;   Одум, 1975, с. 127)

Поступление

из вулканов

Внутренние

воды (0,25)

Грунтовые воды

(2,5) 

Океан

(13800)

Ледяные

шапки

167

3,4

3,8

Атмосфера

(0,13)

Утечка в космос

0,6

1,0

0,2

Рис.  Круговорот двуокиси углерода

(1015 г; Одум, 1986, т. 1, с. 226)

Атмосфера

(711)

Сельское

хозяйство и

промышленность

Горючие ископаемые

(12000)

Океан (в основном – карбонаты)

39000

Материки

(3100)

0,1

Геологические процессы

100

6

10

5

Биотические

процессы

ИМИТАЦИОННЫЕ МОДЕЛИ

ГЛОБАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ В

БИОСФЕРЕ

Модели для описания изменений

компонент экосистем (

биогео-

химических циклов

) под воз-

действием антропогенных факто-

ров в масштабе биосферы.

Одной из первых глобаль-

ных моделей изменения

биосферы, атмосферы и

климата была модель



В.А. Костицына (Kostitzin,                   

1935).


Владимир Александрович

Костицын (1883-1963)

В апреле 1968 г. в Риме по инициативе предпринимателя

– одного из экономических директоров компании «Фиат» –



Аурелио Печчеи собралась группа из 30 специалистов

(естественники,  математики,  экономисты,  социологи, 

промышленники) из десяти стран с целью выработать

стратегию человечества по предотвращению глобального

эколого-экономического кризиса.  

Эта группа получила название «Римский клуб».

Аурелио Печчеи

Aurelio Peccei (1908-1984)

Эмблема

Римского клуба


Денис Медоуз

Dennis L. Meadows (г.р. 1942)

Донелла Медоуз

Donnella "Dana" H. Meadows

(1941-2001)

Джей Форрестер

Jay Wright Forrester

(г.р. 1918)

Джей Форрестер

Денис Медоуз

"Dana"

Методологической основой построения прогнозов в

глобальном масштабе стали методы математического

моделирования и,  прежде всего,  методы системной

динамики Джея Форрестера.



Эрвин Ласло

Ervin László (г.р. 1932)

Михайло Месарович

Mihajlo (Mike) D. Mersarovič

(г.р. 1929)

Эдуард Пестель

Eduard Pestel (1914-1988)

Голархическая; основанная на гармонии.

Иерархическая; основанная на силе.

Политика

Плюралистическая.

Евроцентрическая; колониальная.

Культура

Интегрировано в природу. 

Гайацентрическое.

Господствует над природой. 

Антропоцентрическое.

Человечество

Движимая кооперативными усилиями и

информацией.

Движимая конкуренцией и прибылью;

носит характер эксплуатации.



Экономика

Ориентированный на адаптацию; баланс

ресурсов.



Зависящий от потребления; конверсия

ресурсов.



Социальный

прогресс

Коммуникационно ориентированный;

основанный на услугах.



Технологически ориентированный;

интервенционистский; основанный на

товарах.

Социальный этнос

Взаимосвязанная; взаимозависимая. Не

взаимозаменяема и не заменяема.



Дискретная и сепарабельная; части

взаимозаменяемы.



Органическая

функция

Органические; интерактивные; 

холистические.

Материалистические; детерминисти-

ческие; механистические.

Физические

процессы

Холистический; взаимосвязанный.

Объекты и люди интегрированы в

сообщество.

Атомистический; фрагментированный.

Объекты независимы и самостоятель-

ны. Люди индивидуализированы и

дискретны.



Физический мир

Нарождающийся новый взгляд

Существующий ныне взгляд

Мир по Эрвину Ласло «Век бифуркации» (1991) 

Василий Васильевич Леонтьев

Vasiliy Leontiev (1906-1999)

Ян Тинберген

Jan Tinbergen (1903-1994)

Карл Саган

Carl Sagan

(1934-1997)

Крапивин В.Ф., 

Свирежев Ю.М., 

Тарко А.М. 

Математическое

моделирование

глобальных

биосферных

процессов. М.: 

Наука, 1982, 268 с. 

Александр Михайлович

Тарко (г.р. 1944)

Владимир Федорович

Крапивин (г.р. 1936)

Юрий Михайлович

Свирежев (1938-2007)

Никита Николаевич

Моисеев (1917-2000)

Владимир Валентинович

Александров (г.р. 1939;

в 1983 г. таинственно исчез)

Александр Михайлович

Тарко (г.р. 1944)

Моисеев Н.Н., 

Александров В.В.,    

Тарко А.М.

Человек и биосфера. 

Опыт системного

анализа и эксперименты

с моделями. М., Наука, 

1985, 272 с. 

Рис.  Иллюстрация эффекта «ядерной зимы»

(температура указана для поверхности почвы, 

средних и верхних слоев атмосферы);

рисунок был предложен Ю.М. Свирежевым на конференции

«Математическое моделирование в биогеоценологии»

(г. Петрозаводск, 1985 г.)

З е м л я

З е м л я

А т м о с ф е р а

А т м о с ф е р а

С

А

Ж

А

К о с м о с

К о с м о с

Тепло

Тепло

-53 

о

С

-20 

о

С

+13 

о

С

Тепло

Тепло

-7 

о

С



о

С

+10 

о

С

АКСИОМА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ

АККУМУЛЯЦИИ ЭНЕРГИИ




Достарыңызбен бөлісу:
  1   2




©stom.tilimen.org 2022
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет