• Каждая экосистема обладает рядом свойств, определяющих ее существование

1. Свойство необходимого разнообразия элементов

• экосистема не может быть сформирована из одинаковых элементов: нижний предел - два элемента, верхний – бесконечное множество

• экосистема остается стабильной до того момента, пока обладает необходимым разнообразием составляющих её элементов (снижение разнообразия - выход из равновесия и переход на более низкий уровень

коралловые экосистемы - 0,1% водной поверхности планеты (более четверти

океанического животного мира)

• Коралловые рифы образованы органогенными известняками: в прибрежных зонах или на глубинах до 50 метров (максимум 120 метров)

• Главное условие – оптимальное сочетание температуры, глубины и уровня солености воды

• риф Кингмен: пустынный атолл в Тихом океане• «машина времени» - экосистема в первозданном виде

• рифовые акулы, хищные красные луцианы

• Место кудрепёра – в середине пищевой цепочки: должен молниеносно нападать и исчезать…

Малоизученный коралл Porties sp. - возраст 500 лет.

Коралловые рифы – до и после

• более 30% коралловых рифов потеряно (в Мексиканском заливе осталось не более 1%): природные и антропогенные факторы

• загрязнение океана промышленными отходами• вырубка мангровых лесов,• глобальное потепление и подкисление воды• туризм, браконьерское рыболовство

2. Свойство устойчивости• преобладание внутренних взаимодействий над

внешними: экосистема стремиться сохранить свою стабильность - status quo

• каждая экосистема - свои пределы устойчивости

3. Свойство саморегуляции и самоорганизации

• Связи в экосистеме: прямые и обратные• Прямая - один элемент системы действует на другой

без ответной реакции• Обратная - ответное действие элемента• Обратные связи: положительные (стимулирующие) и

отрицательные (стабилизирующие)

• Пример положительной (стимулирующей) обратной связи - деградация почвенного покрова в результате хозяйственной деятельности

Женщина собирает оставшиеся рисинки, чтобы накормить свою семью. Бангладеш

• Пример отрицательной (стабилизирующей) связи - хищник и жертва: рост популяции жертв приводит к росту хищников - хищники сокращают поголовье жертв - численность хищников сокращается, т.е. система стабилизируется

• Саморегулирование экосистемы основано на отрицательной обратной связи

4. Свойство эмерджентности• свойства системы не являются простой суммой

свойств слагаемых ее элементов: все компоненты имеют свои особенности строения и внутренние механизмы, но при «сложении» компонентов живой и неживой природы появляется новый тип связей

5. Свойство неравномерности• Постепенное накопление незначительных изменений

может быть прервано скачком качественных изменений, меняющих свойство системы - точки бифуркации

• Новая Зеландия: с переселенцами до 600 новых видов растений, 130 видов птиц и 48 видов млекопитающих.

• При отсутствии врагов в природе: растения разрослись, птицы расселили новые виды, популяции животных превратили леса в пастбище. В результате, большая часть дремучих лесов погибла, началась эрозия и обмеление рек

Биосфера –самая большая экосистема Когда мы пытаемся вытащить что-нибудь одно,

оказывается, что оно связано со всем остальным.

Закон Мерфи

• Ежегодно во французском городке Сен-Дье проходит Международный фестиваль географии. Эмблемой фестиваля является человек, играющий планетой как мячиком

• При уменьшении в 10 миллионов раз – планета –мячик - шар диаметром 1,28 м.

• в руках оказаться не сможет – несмотря на уменьшение, масса шара составит почти 6 тонн.

• Твердая оболочка Земли: на суше в пределах 2 – 6,5 см, а под океаном не достигать и 1 сантиметра (3-8 миллиметра).

• самая глубокая скважина на планете - 1,2 см. • высочайшая вершина Эверест– около 9 мм.• прозрачная тонкая газовая оболочка - 2-4 мм• Оболочка жизни на планете - миллиметр

Понятие «биосфера» • истоки учения - труды европейский

естествоиспытателей ХVIII в. • Жан Батист Ламарк: «все живые

организмы содержат вещества неорганической природы…»

• Термины- Эдуард Зюсс, предложивший считать водную оболочку планеты - гидросферой, твердую оболочку - литосферой, а оболочку, населенную живыми организмами - биосферой.

• В ХХ в. В.И. Вернадский - учение о биосфере - оболочке планеты, структура и энергетика которой определяются совокупной деятельностью живых организмов (почвы, осадочные породы, природные воды, атмосфера появились и развиваются благодаря деятельности живых организмов)

Строение биосферы

• Все этажи биосферы заселены

• архитектура здания, стройматериалы, распределение жителей, - все имеет общие закономерности построения

• Наибольшее «сгущение» жизни - на границах сред обитания – «пленках жизни»: воздуха и почвы, в прибрежной зоне контакта моря и реки, в приповерхностных слоях океана

Границы биосферы• совпадают с границами жизнедеятельности

организмов: • нижний – дно океана или глубинные слои

литосферы• верхний - ограничен жёстким излучением

ультрафиолетовых лучей (15-20 км)

Верхняя граница биосферы• порог пребывания

человека 6000 - 7000 м.• верхняя граница

растений - 6200 м (выше – насекомые и микроорганизмы)

• если не учитывать рекорды (птицы до 13 -14 км, простейшие до 15 км, бактерии до 75-85 км) верхняя граница реального распространения жизни - около 8-10 км.

Нижняя граница биосферы• в 1841 г. Э. Форбс -

на глубине ниже 540 м. морей - жизни нет

• в пробе грунта, взятого батискафом «Кайко» на глубине 10.900 м. было открыто 13 видов новых одноклеточных организмов, существующих уже почти миллиард лет

Жизнь в экстремальных условиях• Максимально адаптированы

бактерии• «черные и белые

курильщики»: в гидротермальных источниках на дне океана -оазисы жизни -хемосинтезирующие бактерии (температура 3500, глубина более 2,5 км, полное отсутствие света)

• В литосфере на глубине 4500 м. в нефтеносных водах найдены микроорганизмы

• на «пределах» биосферы -отдельные проявления жизни (споры, бактерии, мицелии грибов)

• В холодных или жарких пустынях активная жизнь «замирает», но и там существуют живые организмы

• Совокупность этих областей -парабиосфера

Атмосфера (пар и шар) - легкая газовая оболочка, масса которой в миллион раз меньше массы планетысовременный состав атмосферы -эволюция живых организмов

• Первичная атмосфера, образованная в результате вулканических извержений, отличалась отсутствием О2 и преобладанием СО2

Переломные периоды планеты• содержание О2 - 1% (1-ая точка Пастера): первые

аэробные организмы.

• концентрация О2 - 10% (2-ая точка Пастера): озоновый слой, организмы вышли на сушу.

• по мере эволюции - СО2 до 0,03%, О2– 21%

• содержание состава атмосферы поддерживается благодаря «запрограммированным» процессам в биосфере в узком диапазоне: без производства О2

растениями, он навсегда исчез бы из атмосферы, остановив жизнь на Земле, при повышении жизнь может «сгореть»

• Гидросфера из-за способности воды быть в жидком, твердом или газообразном состоянии, пронизывает все другие оболочки Земли

• переходы из одних видов вод в другие - сложный круговорот воды на земном шаре

• Водная поверхность планеты - 71%.

• Если прибавить ледники и снежный покров - 86% от общей поверхности планеты

• Морская вода: солёность Мирового океана составляет около 3,5 промилле (в каждом литре морской воды растворено 35 грамм солей)

• в морской воде: 85,7% кислорода, 10,8% водорода, 1,9% хлора, 1,05% натрия, 1,35% магния, 0,09% серы

•

• Литосфера - твердая оболочка Земли, из трех слоев – земной коры (0-40 км), твердой оболочки или мантии (40-2900 км) и жидкого ядра (2900-6370 км)

Строение литосферы• континентальная и

океаническая кора• На континентах - до 70

км: осадочный, гранитный и базальтовый слои.

• Под океанами - 5-10 км: гранитный слой выклинивается, а осадочный и базаль-товый уменьшаются в мощности

• Иногда выделяется кора промежуточного типа

Состав литосферы• Горные породы:• магматические (при

охлаждении и затвердевании магмы)

• осадочные (в результате накопления осадков)

• метаморфические (преобразованные осадочные и магматические породы под действием температур и давления)

Педосфера - «благородная ржавчина Земли»

• на границе атмосферы и литосферы

• Мощность почв зависит от климата, рельефа, времени развития почвы, особенностей слагающих ее пород, биоты

• толщина педосферы - около одного метра

Состав почв• все элементы системы Д.И. Менделеева• каждый элемент земной коры имеет свой кларк -

среднее содержание в земной коре. • Кислород - 47,0%, кремний -29,5%, алюминий 8,05%. В

сумме эти три элемента составляют 84,55%. • Если прибавить железо - 4,65%, кальций -2,96%,

натрий - 2,50%, калий -2,50%, магний - 1,87%, титан 0,45%, то сумма - 99,48%.

• На остальные 80 элементов приходится чуть более половины процента.

Круговорот веществ в биосфере • непрерывное движение: в океане течения переме-

шивают слои воды, вода испаряется с водной глади, в атмосфере ветры переносят облака, из облаков идет дождь и снег, поверхностные воды стекаются в рукава рек, реки впадают в океан

• Вместе с водой «подключаются» химические элементы и соединения

• повторяющийся цикл перемещения и превращения вещества - круговорот веществ в биосфере

• при отсутствии круговоротов - живые организмы давно исчерпали бы все ресурсы планеты, поскольку запасы любого элемента конечны

• большой (геологический)

• малый (биогеохимический) круговорот

Геологический круговорот веществ• магматические породы разрушаются, их продукты

выносятся в океан, образуя осадочные породы. • Под действием давления и температур, осадочные

и магматические породы преобразуются в метаморфические

• При новых движениях коры, породы вновь оказы-ваются в зоне интенсивного выветривания

• Малый биогеохимический круговорот - два взаимосвязанных и противоположных процесса: образованием и разложением живого вещества.

• Химические элементы в биосфере постоянно перемещаются как в пределах отдельных сфер (литосферы, гидросферы, атмосферы, педосферы), так и между ними.

• Повторяющиеся перемещения и превращения химических элементов в биосфере при активном участии живого вещества называют биогеохимическими циклами элементов

• под циклом понимается круговорот химических веществ из неорганической природы, через растительные и животные организмы, обратно в неорганическую.

• К главным биогеохимическим циклам относят циклы углерода, азота, кислорода, серы и фосфора. Среди летучих соединений всем известна двуокись углерода (СО2), метан (СН4), свободный азот (N2), аммиак (NH4), сероводород (H2S) и двуокись серы (SO2).

Человек и биосфера • Изменения природы

начались с расселением первобытных людей по континентам

• Шесть основных этапов взаимодействия общества и природы

1. Этап взаимодействия природы и общества

• период присваивающего хозяйства: собирательство, охота и рыболовство

• плотность людей лимитирована количеством пищи • развитие - совершенствование каменных орудий• исчезновение многих видов животных привело к

голоду: поиск новых вариантов получения пищи

2. Этап взаимодействия природы и общества

• период становления производящего хозяйства - неолитическая революция: землепашество и скотоводство

• в очагах оседлого земледелия - смена природных экосистем пахотными угодьями

• расширение обрабатываемых земель при применении переложной и подсечно-огневой системы земледелия обеспечили людей пищей и привели к новым проблемам: нарушение гидрологического режима рек, усиление водной и ветровой эрозии, опустынивание территорий и т.д.

3. Этап взаимодействия природы и общества

• Эволюция локальных аграрных сообществ• Очаги - великие речные цивилизации: Нил, Тигр,

Евфрат, Инд и Ганг, Хуанхэ и Янцзы• преобразование сельского хозяйства: орошаемое

земледелие, террасирование горных склонов• развитие сельского хозяйства и высокие урожаи

послужили толчком для демографического роста

4. Этап взаимодействия природы и общества

• «осевое время»: заложены основы религий, зародилась философия, установка на «преображение природы» и гармонию с природой

5. Этап взаимодействия природы и общества

• эпоха Великих географических открытий - взаимодействие локальных цивилизаций

• Открытие Америки, Австралии и Океании• мощный колониализм: минеральные и биотические

ресурсы стран Востока и Нового Света открыто присваивались европейскими державами

6. Этап взаимодействия природы и общества

• Эпоха индустриализации• С середины 18 века в Англии • три основных стадии: революция «пара и угля», «нефти

и электричества» и «ядерной энергетики, микроэлектроники и биотехнологий»

• виток эксплуатации природных ресурсов, рост и распространение городов, первые техногенные катастрофы.

• Набранные темпы развития экономики привели к стремительному преобразованию биосферы

Ноосфера как ступень развития биосферы

• преобразование биосферы – техногенез• часть преобразованной биосферы – техносфера• отличие эпохи техносферы - изменение

биогеохимических потоков: ХХ в. вовлек в процесс рассеивания и дальнейшей концентрации практически все элементы таблицы Менделеева, многие из которых являются токсичными.

• В 1927 году Эдуард Леруа ввел понятие «ноосфера» - оболочка Земли, включающая человеческое общество с его языком, индустрией, культурой и прочими видами разумной деятельности.

Эксперимент «Биосфера - 2»• в начале 90-х годов 20 века в Аризоне (США) -

сложнейшее инженерно-техническое сооружение «Биосфера-2» - моделирование замкнутой экосистемы (миллиардер Эдвард Бас)

• площадь 1,27 гектара

• Задача - выяснение возможностей человека жить в искусственной экосистеме в случае ухудшения условий жизни на Земле или в космических поселениях

• сеть герметичных секций • в каждом отсеке - конкретная экосистема с почвами и

растениями, животными и микроорганизмами (тропический лес, саванна, мини-океан с живым коралловым рифом и т.д.).

• своеобразная биологически-сбалансированная мини-модель Земли

• Автономное функционирование комплекса - круговорот веществ: воспроизводство кислорода, переработка отходов жизнедеятельности и т.д.

• океанические течения, морской прибой, тропические дожди, для очистки воды - водные гиацинты

• 26 сентября 1991 года восемь добровольцев вошли в «Биосферу 2» на два года

• через нескольких недель: рост популяций микроорганизмов и насекомых - резкое уменьшение всходов сельскохозкультур - падение кислорода (на 0,5% в месяц) - признаки кислородного голодания.

• нехватка пищи - распределение еды• огромное количество микробов и насекомых • конденсат влаги и искусственный дождь• количество О2 за два года снизилось до 14%

• «Только здесь мы почувствовали, насколько зависим от окружающей природы. Если не будет деревьев — нам нечем будет дышать, если вода загрязнится — нам нечего будет пить».

• Вывод: на данный момент знания о биосфере недостаточны и создание модели невозможно

• Перенаселение, нехватка пищи, сохранение биоразнообразия, загрязнение - основными темы для исследований