• 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