Экологическая система

Доходящая до Земли энергия Солнца распределяется следующим образом: 33% ее отражается облаками и пылью атмосферы (это так называемое альбедо или коэффициент отражения Земли); 67% поглощается атмосферой, поверхностью Земли и океаном. Из этого количества поглощенной энергии лишь около одного процента расходуется на фотосинтез, а вся остальная энергия, нагрев атмосферу, сушу и океан, переизлучается в космическое пространство в форме невидимого теплового (инфра-красного) излучения. Этого одного процента энергии достаточно для обеспечения ей всего живого вещества планеты и поддержания им состояния с низкой энтропией. Как распределяется эта энергия между компонентами биотической структуры?

Улавливают энергию Солнца и превращают ее в потенциальную энергию органического вещества растения - продуценты. Весь остальной живой мир получает необходимую для жизнедеятельности энергию, в основном поедая их.

Перенос энергии пищи от ее источника - продуцента через ряд организмов, происходящий путем поедания одних организмов другими, называется пищевой или трофической цепью.

Около 90% выделившейся энергии расходуется организмом на поддержание своей жизнедеятельности, то есть на обеспечение всех необходимых ему функций, после чего она в виде выделяемого организмом тепла рассеивается в окружающую среду и по сути дела безвозвратно теряется для всей живой системы. И только около 10% энергии идет на построение тела, рост и размножение организма. Именно эти 10% энергии и доступны следующему трофическому уровню. Таким образом, энергии с переходом от одного уровня к другому остается все меньше.

Но здесь нужно иметь в виду, что чем выше трофический уровень, тем в более концентрированной форме содержится в живых организмах энергия. Это объясняется присущей только живому веществу спецификой - обладанием механизмами концентрирования энергии.

Таким образом, сначала улавливание, а затем концентрирование энергии с переходом от одного трофического уровня к другому обеспечивает повышение упорядоченности, организации живой системы, то есть уменьшение ее энтропии. Для поддержания низкой энтропии в равной степени важно, чтобы у элементов системы были эффективные механизмы как для улавливания и концентрации энергии - извлечения негоэнтропии из окружающей среды, так и для рассеивания ее в окружающую среду - освобождение от накапливающейся положительной энтропии. В таком сочетании они есть только в живых системах. Поэтому жизнь как термодинамический процесс представляет собой непрерывный обмен живых систем с окружающей средой, при котором происходит освобождение от производимой положительной энтропии и извлечение отрицательной, то есть порядка и организации (10, 223с.).

Необходимо понимать, что энтропия уменьшается в конкретной локальной зоне, при этом в окружающей среде она возрастает. Таким образом, рост упорядоченности в одной части системы приводит к усилению неупорядоченности в других ее частях.

Для описания поведения энергии в экосистемах употребляют термин  поток энергии, поскольку в отличии от циклического движения веществ превращения энергии идут в одном направлении. Энергия, однажды использованная каким-либо организмом, превращается в тепло и утрачивается для экосистемы. Она не может быть снова "пущена в дело" как вода или неорганические вещества, по отношению к которым используется термин круговорот воды и веществ. Для своей жизнедеятельности каждый живой компонент, будь то организм или экосистема, должен получать от окружающей среды на входе постоянный приток дополнительной энергии. Живые замкнутые термодинамические системы невозможны (5, 445с.).

Итак, жизнь в экосистеме поддерживается благодаря непрекращающемуся прохождению через живое вещество энергии, передаваемой от одного трофического уровня к другому; при этом происходит постоянное превращение энергии из одних форм в другие. Кроме того, при превращениях энергии часть ее теряется в виде тепла.

Тогда встает вопрос: в каких количественных соотношениях, пропорциях должны находиться между собой члены сообщества разных трофических уровней в экосистеме, чтобы обеспечивать свою потребность в энергии?

Весь запас энергии сосредоточен в массе органического вещества - биомассе, поэтому интенсивность образования и разрушения органического вещества на каждом из уровней определяется прохождением энергии через экосистему ( биомассу всегда можно выразить в единицах энергии).

Скорость образования органического вещества называют продуктивностью. Различают первичную и вторичную продуктивность.

Энергия поступает в живую составляющую экосистемы через продуценты. Скорость накопления энергии продуцентами в форме органического вещества, которое может быть использовано в пищу, называется первичной продукцией. Этим показателем определяется общий поток энергии через живую составляющую экосистемы, а значит, и количество (биомасса) живых организмов, которые могут существовать за ее счет в экосистеме.

В первичной продуктивности различают валовую и чистую продуктивность. Валовая первичная продуктивность - это скорость, с которой растения накапливают химическую энергию при фотосинтезе. Часть ее - около 20 % - они тратят на дыхание - поддержание собственной жизнедеятельности, которая затем в виде теплоты выделяется в окружающую среду и теряется для экосистемы. Скорость накопления органического вещества продуцентами за вычетом расхода на дыхание называется чистой первичной продуктивностью. Это энергия, которую могут использовать организмы следующих трофических уровней.

Скорость накопления органического вещества на уровнях консументов называется вторичной продуктивностью. Это энергия, которую могут использовать консументы следующего трофического уровня.

Таким образом, для обеспечения энергией всех особей сообщества живых организмов экосистемы необходимо определенное количественное соотношение между продуцентами, консументами разных порядков, детритофагами и редуцентами. Однако для жизнедеятельности любых организмов, а значит и системы в целом, только энергии недостаточно, они обязательно должны получать различные минеральные компоненты, микроэлементы, органические вещества, необходимые для построения молекул живого вещества (14, 326с.).

Воздействие человека на окружающую его природную среду может рассматриваться в разных аспектах в зависимости от цели изучения этого вопроса. С точки зрения экологии представляет интерес рассмотрение воздействия человека на экологические системы под углом зрения соответствия или противоречия действий человека объективным законам функционирования природных экосистем. Исходя из взгляда на биосферу как глобальную экосистему, все многообразие видов деятельности человека в биосфере приводит к изменениям: состава биосферы, круговоротов и баланса слагающих ее веществ; энергетического баланса биосферы; биоты. Направленность и степень этих изменений таковы, что самим человеком им дано название экологического кризиса. Современный экологический кризис характеризуется следующими проявлениями:

• постепенное изменение климата планеты вследствие изменения баланса газов в атмосфере;
• общее и местное (над полюсами, отдельными участками суши) разрушение биосферного озонового экрана;
• загрязнение Мирового океана тяжелыми металлами, сложными органическими соединениями, нефтепродуктами, радиоактивными веществами, насыщение вод углекислым газом;
• разрыв естественных экологических связей между океаном и водами суши в результате строительства плотин на реках, приводящий к изменению твердого стока, нерестовых путей и т.п.;
• загрязнение атмосферы с образованием кислотных осадков, высокотоксичных веществ в результате химических и фотохимических реакций;
• загрязнение вод суши, в том числе речных, служащих для питьевого водоснабжения, высокотоксичными веществами, включая диоксины, тяжелые металлы, фенолы;
• опустынивание планеты;
• деградация почвенного слоя, уменьшение площади плодородных земель, пригодных для сельского хозяйства;
• радиоактивное загрязнение отдельных территорий в связи с захоронением радиоактивных отходов, техногенными авариями и т.п.;
• накопление на поверхности суши бытового мусора и промышленных отходов, в особенности практически неразлагающихся пластмасс;
• сокращение площадей тропических и северных лесов, ведущее к дисбалансу газов атмосферы, в том числе сокращению концентрации кислорода в атмосфере планеты;
• загрязнение подземного пространства, включая подземные воды, что делает их непригодными для водоснабжения и угрожает пока еще мало изученной жизни в литосфере;
• массовое и быстрое, лавинообразное исчезновение видов живого вещества;
• ухудшение среды жизни в населенных местах, прежде всего урбанизированных территориях;
• общее истощение и нехватка природных ресурсов для развития человечества;
• изменение размера, энергетической и биогеохимической роли организмов, переформирование пищевых цепей, массовое размножение отдельных видов организмов;
• нарушение иерархии экосистем, увеличение системного однообразия на планете (7, 78с.).

Негативные последствия влечет и научно необоснованное применение для подкормки культурных растений больших доз минеральных и органических удобрений, в частности нитратов. Интенсивное поступление нитратов в растения приводит к тому, что они не полностью включаются в обменные процессы и накапливаются в листьях, стеблях и корнях. Для самих растений избыток нитратов особой опасности не представляет, но при попадании в организм теплокровных животных с пищей они превращаются в более токсичные соединения. Накопления последних в организме человека вызывают тяжелые нарушения обмена веществ, аллергию, нервные расстройства, а некоторые из них способны вызывать злокачественные новообразования (2, 67с.).

Под биологическим загрязнением понимают привнесение в экосистемы в результате хозяйственной деятельности человека нехарактерных для них видов живых организмов (растений, животных, вирусов, бактерий и др.), ухудшающих условия существования биоценозов или негативно влияющих на здоровье человека. Основными источниками биологического загрязнения являются сточные воды практически всех видов промышленного производства, сельского хозяйства, коммунального хозяйства городов и поселков, бытовые и промышленные свалки, кладбища и др. Из этих источников разнообразные органические соединения и патогенные микроорганизмы попадают в почву и подземные воды. Особую опасность представляет биологическое загрязнение возбудителями инфекционных и паразитарных болезней, таких как чума, оспа, холера, дизентерия, клещевой энцефалит, СПИД и др., уничтожение которых представляет значительные трудности. В последние годы возникла новая экологическая опасность — потенциальная возможность попадания из лабораторий или заводов в окружающую природную среду микроорганизмов и биологически активных веществ, оказывающих негативное воздействие на живые организмы и их сообщества, здоровье человека и его генофонд, что связано с бурным развитием биотехнологии и генной инженерии (11, 279с.).

Заключение

Экологические системы разных уровней представляют собой основные функциональные единицы биосферы. Эти надорганизменные объединения включаю организмы и неживое (косное) окружение, находящиеся во взаимодействии, без которого невозможно поддержание жизни на нашей планете. Будучи энергетически и структурно открытыми системами, они находятся в статистическом, подвижном равновесии - гомеостаз(ис)е (от греч. homoios - подобный, statis - стояние) благодаря особой структурно-функциональной организации всех своих компонентов. При этом различают структурно-физическую организацию - пространственное размещение компонентов, и временную организацию - динамику деятельности отдельных частей. Очень важный функциональный аспект организации, или принципы взаимодействия компонентов. В целом организация проявляется в размещении, группировке и взаимосвязях масс и косных тел, что позволяет экосистеме оптимально осуществлять свою генеральную функцию - материально- энергетический обмен между составными частями экосистемы, а также взаимодействие с другими экосистемами (15, 413с.).

Города и промышленные объекты (нефтепромыслы, карьеры для разработок угля и руды, химические и металлургические комбинаты) работают за счет энергии, которая поступает из других промышленных экосистем (энергетического комплекса), и их продукция - не растительная и животная биомасса, а сталь, чугун и алюминий, различные машины и приборы, строительные материалы, пластмассы и многое другое, чего нет в природе.

Сейчас города - «паразиты» биосферы, они не могут обеспечить себя энергией и ресурсами и в их экосистемах никогда не возникает экологическое равновесие. Но отказаться от городов человечество не может, и потому главная задача экологии – это уменьшить вредное влияние городов на естественные и сельскохозяйственные экосистемы и обеспечить в них условия для жизни главного звена этой искусственной экосистемы – человека (6, 293с.).

Проблемы экологии городов - это в первую очередь проблемы уменьшения выбросов в окружающую среду различных загрязнителей и защита от городов воды, атмосферы, почвы. Их решают путем создания новых малоотходных технологий и производственных процессов и эффективных очистных сооружений. Большую роль в смягчении влияния факторов городской среды на человека играют растения. Зеленые насаждения улучшают микроклимат, улавливают пыль и газы, благотворно влияют на психическое состояние горожан.

Список использованной литературы:

1. Акимова, Т.А. Экология: Учебник для вузов / Т.А. Акимова, ВЛЗ. Хаскин. – М: ЮНИТИ, 2007, – 445с.
2. Безматерных Д.М. Водные экосистемы: состав, структура, функционирование и использование. — Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 2009. - 97с.
3. Бродский А.К. Краткий курс общей экологии: учебное пособие. - СПб.: Издательство ДЕАН, 2001. - 224с.
4. Вронский В.А. Экология: Словарь-справочник. - Ростов-на-Дону: Феникс, 2007. - 576с.
5. Коробкин В.И. Экология: учебник для вузов /В.И. Коробкин, Л.В. Передельский. – М.: Академия, 2005. - 576c.
6. Маврищев В.В. Основы общей экологии: Учеб. пособие / В.В. Маврищев. – Мн.: Высшая школа, 2009. – 317с.
7. Николаев А.С. Экология: учебное пособие. - СПб.: СПБГИЭУ, 2001. - 132с.
8. Николайкин Н. И. Экология: Учебник для вузов. - М.: Дрофа, 2004. - 624с.
9. Николайкин Н.И., Николайкина Н.Е., Мелехова О.П. – Экология. 5-ое изд. – Москва: Дрофа. 2006. - 640с.
10. Охрана окружающей среды: Учеб, для техн. спец, вузов / Под ред. С.З. Белова. – М.: Высшая школа, 2003. – 319с.
11. Розенберг Г.С., Мозговой Д.П., Гелашвили Д.Б. Экология. Элементы теоретических конструкций современной экологии. — Самара: СамНЦ РАН, 2003. — 397с.
12. Тупикин Е.И. Общая биология с основами экологии и природоохранной деятельности. Учебное пособие / Е.И. Тупикин. - М.: Издательский центр «Академия», 2008. - 380с.
13. Шимова, О.С. Основы экологии и экономика природопользования: Учебник / О.С. Шимова, Н.К. Соколовский. – Мн.: БГЭУ, 2005. - 367с.
14. Экология и безопасность жизнедеятельности: Учеб. пособие для вузов / Под ред. Л.А. Муравья. – М. ЮНИТИ-ДАНА, 2006. – 424с.
15. Экология и безопасность жизнедеятельности: Учеб. пособие для вузов/ Д.А. Кривошеин, Л.А.Муравей, Н.Н. Роева и др.; Под ред. Л.А. Муравья. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2004. - 447с.