Конспект лекций 2007 Экология. Конспект лекций. Для студентов специальностей 080201 «Информатика»




НазваниеКонспект лекций 2007 Экология. Конспект лекций. Для студентов специальностей 080201 «Информатика»
страница7/20
Дата публикации24.02.2013
Размер2.29 Mb.
ТипКонспект
uchebilka.ru > География > Конспект
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   ...   20

^ 2.6.1 Положительная и отрицательная обратная связь в природных экосистемах

Среди форм отношений между элементами различных систем в живой природе и в человеческом обществе одно из главных мест занимают парные взаимодействия, которые обобщенно могут быть обозначены как «ресурс-потребитель ресурса». Взаимодействия в каждой из таких пар можно представить в виде контура обратных связей. В качестве примера действия обратной связи рассмотрим взаимозависимость следующих явлений. Корни многих бобовых растений образуют симбиоз с клубеньковыми бактериями, которые снабжают растения нитратами. Это повышает продуктивность растения, увеличивают количество углеводов, потребляемых клубеньковыми бактериями, а это в свою очередь способствует усилению фиксации азота.

При повышении вулканической деятельности в атмосферу Земли поступают дополнительные количества СО2, что может привести к росту его содержания. Однако это усиливает фотосинтетическую активность растений, что в свою очередь вызывает повышенное потребление растениями СО2, а это способствует снижению его содержания в атмосфере. В кибернетике обратную связь определяют как возвращение части сигнала с выхода системы на ее вход. В первом случае обратная связь усиливает действие входного сигнала, (продуктивность растения увеличивается вместе с ростом азотфиксирующей способности бактерий). Такую обратную связь называют положительной. Такие связи не только не способствуют регуляции, а наоборот, генерируют дестабилизацию систем, приводя их либо к угнетению и гибели, либо к ускоряющемуся росту, за которым, как правило, также следует срыв и разрушение системы. Во втором случае взаимосвязь явлений «гасит», нейтрализует внешнее воздействие. Это отрицательная обратная связь.

На принципе отрицательной обратной связи построены все механизмы регуляции физиологических функций в любом организме и поддержание постоянства внутренней среды, т.е. гомеостаза любой авторегуляторной системы. Все экологические системы включают контуры отрицательных обратных связей. Системы, контролируемые внутренней обратной связью, обладают определенной независимостью поведения, проявляющиеся в их способности к саморазвитию и устойчивости.

Выделяют два типа простейших контуров обратной связи: усилитель сигнала и регулятор сигнала.

Регулятор сигнала – контур с отрицательной обратной связью. Этот механизм обеспечивает стабилизацию состояния системы, возмущаемой внешним воздействием. Примером действия отрицательной обратной связи в биоценозах может служить взаимодействие в системе «хищник-жертва». Рост численности популяции жертвы, обусловленный благоприятными внешними условиями вызывает рост численности популяции хищников, что в свою очередь, снижает численность жертвы, (контур работает по принципу «чем больше, тем меньше»). В целом такой контур имеет отрицательный знак. Это значит, что система авторегуляторна и может сама себя поддержать в рамках определенного уровня соотношения численностей.

Усилитель сигнала - контур с положительной обратной связью. Этот механизм обеспечивает экстенсивное развитие системы, т.к. приводит к еще большему отклонению состояния, чем - то, которое вызвало бы внешнее воздействие (входной сигнал) при отсутствии обратной связи. Действие положительной обратной связи можно рассматривать как процесс автостимуляции (самоускорения) системы, когда она на всякий внешний толчок реагирует возрастающим удалением от исходного состояния. Остановить ее в этом движении может только истощение ресурсов, необходимых для экстенсивного развития. Особенностью механизма «усилитель сигнала» является то, что при внешнем воздействии достаточной интенсивности вектор движения системы меняется на обратный. В сложных системах всегда сочетаются контуры обоих знаков.
^ 2.7 Современная концепция биосферы

Термин биосфера – впервые был предложен Ламарком в 1802 году, а в 1875 Зюсс применил этот термин для обозначения живой оболочки земли. Учение о биосфере разработал Вернадский, который, биосферой назвал оболочку земли, в формировании которой живые организмы играют основную роль.

Биосфера — сложная многокомпонентная система, включающая всю живую и неживую природу. Она охватывает часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы, взаимосвязанные биогеохимическими циклами миграции веществ и энергии.

В.И. Вернадский рассматривал биосферу как область жизни, включающую наряду с организмами и среду их обитания. Он выделил в биосфере семь разных, но геологически взаимосвязанных типов веществ.

  1. Живое вещество — живые организмы, населяющие нашу планету.

  2. Косное вещество — неживые тела, образующиеся в результате процессов, не связанных с деятельностью живых организмов (породы магматического и метаморфического происхождения, неко­торые осадочные породы).

  3. Биогенное вещество — неживые тела, образующиеся в результате жизнедеятельности живых организмов (некоторые осадоч­ные породы: известняки, мел и др., а также нефть, газ, каменный уголь, кислород атмосферы и др.).

  4. Биокосное вещество — биокосные тела, представляющие собой результат совместной деятельности живых организмов и геологи­ческих процессов (почвы, илы, кора выветривания и др.).

  5. Радиоактивное вещество — атомы радиоактивных элементов (например, уран (238U, 235U), торий (232Th), радий (226Ra) и радон (222Rn, 220Rn), калий (40К), рубидий (87Rb), кальций (Са), цирконий (96Zr), тритий (3Н), бериллий (7Ве, 10Ве) и углерод (14С) и др.

  6. Рассеянные атомы отдельные атомы элементов, встречающиеся в природе в рассеянном состоянии (в таком состоянии часто существуют атомы микро- и ультромикроэлементов: Mn, Co, Zn, Си, Аи, Нд и др.)

  7. Вещество космического происхождения — вещество, поступающее на поверхность Земли из космоса (метеориты, космическая пыль).

Живое вещество биосферы обладает уникальными особенностями, обусловливающими его крайне высокую среобразующую деятельность (по Н.А. Воронкову, 1997).

По В.И. Вернадскому, биосфера включает все части земной коры, на которые воздействовали живые организмы в течение всей геологической истории.

обладает рядом свойств.

^ Целостность и дискретность. Целостность биосферы обусловле­на тесной взаимосвязью слагающих ее компонентов. Она достигается круговоротом вещества и энергии. Изменение одного компонента неизбежно приводит к изменению других и биосферы в целом. При этом биосфера — не механическая сумма компонентов, а качественно новое образование, обладающее своими особенностями и развивающееся как единое целое. Биосфера — система с прямыми и обратными (отрицательными и положительными) связями, которые, в конечном счете, обеспечивают механизмы ее функционирования и устойчивости. На понимании целостности биосферы основывается теория и практи­ка рационального природопользования. Учет этой закономерности позволяет предвидеть возможные изменения в природе, дать прогноз результатам воздействия человека на природу.

Централизованность. Центральным звеном биосферы выступают живые организмы (живое вещество). Это свойство, к сожалению, часто недооценивается человеком и в центр биосферы ставится только один вид — человек (идеи антропоцентризма).

^ Устойчивость и саморегуляция. Биосфера способна возвращаться в исходное состояние, гасить возникающие возмущения, создаваемые внешними и внутренними воздействиями, включением определенных механизмов. Гомеостатические механизмы биосферы связаны в основном с живым веществом, его свойствами и функциями. Биосфера за свою историю пережила ряд таких возмущений, многие из которых были значительными по масштабам (извержения вулканов, встречи с астероидами, землетрясения и т.п.). Гомеостатические механизмы биосферы подчинены принципу Ле Шателье—Брауна: при действии на систему сил, выводящих ее из состояния устойчивого равновесия, последнее смещается в том направлении, при котором эффект этого воз­действия ослабляется.

Ритмичность. Биосфера проявляет ритмичность развития — повторяемость во времени тех или иных явлений. В природе существуют ритмы разной продолжительности. Основные из них — суточный, годовой, внутривековые и сверхвековые. Суточный ритм проявляется в изменении температуры, давления и влажности воздуха, облачно­сти, силы ветра, в явлениях приливов и отливов, циркуляции бризов, про­цессах фотосинтеза у растений, поведении животных. Годовая ритмика — это смена времен года, изменения в интенсивности почвообразования и разрушения горных пород, сезонность в хозяйственной де­ятельности человека. Суточная ритмика, как известно, обусловлена вращением Земли вокруг оси, годовая — движением Земли по орбите вокруг Солнца. Разные экосистемы обладают различной суточной и годовой ритмикой. Годовая ритмика лучше всего выражена в умеренном поясе и очень слабо — в экваториальном. Наблюдаются и более продолжительные ритмы (11, 22—23, 80—90 лет и др.). Ритмиче­ские явления не повторяют полностью в конце ритма того состояния природы, которое было в его начале. Именно этим и объясняется направленное развитие природных процессов.

^ Горизонтальная зональность и высотная поясность. Общебиосферной закономерностью является горизонтальная зональность - закономерное изменение природной среды по направлению от экватора к полюсам. Зональность обусловлена неодинаковым количеством поступающего на разные широты тепла в связи с шарообраз­ной формой Земли. Зональный климат, воды суши и океана, процессы выветривания, некоторые формы рельефа, образующиеся под влиянием внешних сил (поверхностных вод, ветра, ледников), растительность, почвы, животный мир.

Наиболее крупные зональные подразделения — географические пояса. Они отличаются друг от друга температурными условиями, а также общими особенностями циркуляции атмосферы, почвенно-растительного покрова и животного мира. На суше выделяются следую­щие географические пояса: экваториальный и в каждом полушарии субэкваториальный, тропический, субтропический, умеренный, а также в Северном полушарии субарктический и арктический, а в Южном — субантарктический и антарктический. Аналогичные по названию пояса выявлены и в Мировом океане. Географические пояса протягиваются преимущественно в широтном направлении.

Внутри поясов по соотношению тепла и влаги выделяются природные зоны, названия которых определяются по преобладающему в них типу растительности. Так, например, в субарктическом поясе это зоны тундры и лесотундры, в умеренном поясе — зоны лесов, лесосте­пи, степи, полупустынь и пустынь, в тропическом поясе — зоны лесов, редколесий и саванн, полупустынь и пустынь. Как правило, они совпа­дают с основными и переходными типами природных экосистем (биомами и экотонами). В связи с неоднородностью земной поверхности, а, следовательно, и увлажнения в различных частях материков зоны не всегда имеют широтное простирание.

Зональность характерна и для Мирового океана. От экватора к полюсам изменяются свойства поверхностных вод (температура, соленость, плотность и прозрачность, интенсивность волнения и др.), а также состав растительности и животного мира.

Высотная поясность закономерная смена природной среды с подъемом в горы от их подножия до вершин. Она обусловлена изменением климата с высотой: понижением температуры (на 0,6°С на каждые 100 м подъема) и до определенной высоты (до 2—3 км) увеличением осадков. Смена поясов в горах происходит в той же после­довательности, как и на равнине при движении от экватора к полюсам. Отличием является присутствие в горах особого пояса субальпийс­ких и альпийских лугов, которого нет на равнинах. Высотная пояс­ность начинается в горах с аналога той горизонтальной зоны, в преде­лах которой расположены горы. Так, в горах находящихся в степной зоне, нижний пояс горно-степной, в лесной — горно-лесной и т.д. Количество высотных поясов зависит от высоты гор и их местоположения.

^ Большое разнообразие. Биосфера — система, характеризующаяся большим разнообразием. Это свойство обусловлено следующими причинами: разными средами жизни (водной, наземно-воздушной, почвенной, организменной); разнообразием природных зон, различающихся по климатическим, гидрологическим, почвенным, биотическим и другим свойствам; наличием регионов, различающихся по химическому составу (геохимические провинции); биологическим разнообразием живых организмов.

В настоящее время описано более 2 млн. видов. Однако реальное число видов на Земле в несколько раз больше, чем их описано. Не учтены многие насекомые и микроорганизмы, особенно в тропических лесах, глубинных частях океанов и в других малоосвоенных местообитаниях. Кроме этого, современный видовой состав — это лишь небольшая часть видового разнообразия, которое принимало участие в процессах биосферы за период ее существования. Каждый

вид имеет определенную продолжительность жизни (10—30 млн лет), поэтому число видов, принимавших участие в эволюции биосферы, исчисляется сотнями миллионов. Считается, что к настоящему времени арену биосферы оставили более 95 % видов.

Разнообразие обеспечивает возможность дублирования, подстраховки, замены одних звеньев другими, степень сложности и прочнос­ти пищевых и другие связей. Поэтому разнообразие рассматривают как основное условие устойчивости любой экосистемы и биосферы в целом.

К сожалению, практически вся без исключения деятельность человека подчинена упрощению экосистем любого ранга. Сюда следует отнести и уничтожение отдельных видов или резкое уменьшение их численности, и создание агроценозов на месте сложных природных систем. Например, полностью исчезли с лица земли степи как тип экосистем и ландшафтов, резко уменьшились площади лесов (до появле­ния человека они занимали примерно 70 % суши, а сейчас — не более 20-23 %). Идет дальнейшее, невиданное по масштабам, уничтожение лесных экосистем, особенно наиболее ценных и сложных тропических, спрямление русел рек, создание промышленных районов и т.п.

Простые экосистемы с малым разнообразием удобны для эксплуатации, они позволяют в короткое время получить значительный объем нужной продукции (например, с сельскохозяйственных полей), но за это приходится рассчитываться снижением устойчивости экосистем, их распадом и деградацией среды.

Не случайно, что биологическое разнообразие отнесено Конференцией ООН по окружающей среде и развитию (1992 г.) к числу трех важнейших экологических проблем, по которым приняты специальные Заявления или Конвенции. Кроме сохранения разнообразия, такие конвенции приняты по сохранению лесов и по предотвращению изменений климата.

Круговорот веществ многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере и литосфере, в том числе в тех слоях, которые входят в состав биосферы Земли. Круговорот веществ осуществляется при непрерывном поступлении (потоке) внешней энергии Солнца и внутренней энергии Земли.

В зависимости от движущей силы, с определенной долей условности, внутри круговорота веществ можно выделить геологический, биологический и антропогенный круговороты. До возникновения человека на Земле осуществлялись только первые два.

В основе учения В.И. Вернадского о биосфере лежат представления о планетарной геохимической роли живого вещества в образовании биосферы как продукта превращения веществ и энергии в ходе геологического развития Земли. В пределах биосферы встречается либо само живое вещество, либо следы его деятельности — газы атмосферы, природная вода, нефть, известняк, сланцы и др.

^ 2.7.1 Строение биосферы и ее границы

Геобиосфера состоит из террабиосферы (с террабионтами) — поверхность суши, и литобиосферы (с литобионтами) — глубокие слои земной коры. Террабиосфера разделяется на фитосферу — про­странство от поверхности земли до верхушек деревьев (0—150 м), и педосферу (с педобионтами) — почвенный покров (до 2—3 м), нередко сюда включают всю кору выветривания. Литобиосфера (до 2—3 макси­мум до 6 км) включает гипотеррабиосферу (подтеррабиосферу) — слой, где возможна жизнь аэробов (до 1 — 1,5 км), ее нижняя граница совпадают с нижней границей подземной тропосферы (почвенным и подпочвенным воздухом) и теллуробиосферу (глубинобиосферу) — слой, где возможно обитание анаэробов (до 2—3, максимум до 6 км). Живые организмы в толще литобиосферы обитают в основном в по­рах горных пород, заполненных подземными водами.

Гидробиосфера включает маринобиосферу или океанобиосферу (с маринобионтами) — моря и океаны и аквабиосферу (с аквабионтами) — континентальные, главным образом, пресные воды, которая в свою очередь разделяется на лиманоаквабиосферу — стоячие континентальные воды и реоаквабиосферу — проточные континентальные воды. Кроме того, гидробиосфера делится на слои связанные, главным образом, с интенсивностью света: фото(био)сферу — относительно ярко освещенный слой (до 150—200 м), дисфото (био)сфе-ру — всегда сумеречный слой — проникает до 1 % солнечной инсоля­ции (от 200 м до 1,5—2 км), афото(био)сферу — слой абсолютной темноты, где невозможен фотосинтез (глубже 1,5—2 км).

Аэробиосфера состоит из тропобиосферы (с тропобионтами) — слой от вершин деревьев до высоты наиболее частого расположе­ния кучевых облаков (до 5—6 км), постоянно населенный живыми организмами,более тонкий,чем атмосферная тропосфера, и стратобиосферы (со стратобионтами), или альтобиосферы (с альтобионтами), — слой (от 5—6 до 6—7 км), где могут постоянно существовать микроорганизмы, главным образом в виде спор.

Лимитирующим фактором развития жизни в аэробиосфере служит наличие капель воды и положительных температур, а также твердых аэрозолей, поднимающихся с поверхности земли. На больших высотах в горах (около 6 км) расположена высотная часть террабиосферы — эоловая зона. Здесь уже невозможна жизнь высших растений и вообще организмов-продуцентов, но ветры приносят сюда с более низких вертикальных поясов органическое вещество и при отрицательных температурах воздуха еще достаточно тепла от прямой солнечной инсоляции для существования жизни. Это царство членистоногих и некоторых микроорганизмов — эолобионтов. Еще одним лимитирующим фактором проникновения жизни вверх является жесткое космическое излучение. На высоте 22—24 км от поверхности Земли наблюдается максимальная концентрация озона — озоновый экран. Озон образуется из кислорода воздуха под действием солнеч­ной радиации (02 —» 03). Озоновый экран отражает губительные для живых организмов космические излучения и частично ультрафиолетовые лучи.

Выше аэробиосферы расположена парабиосфера — слой (между 6—7 и 60—80 км), куда жизнь проникает лишь случайно и не часто, где организмы могут временно существовать, но не могут нормально жить и размножаться. Еще выше расположена апобиосфера, или «надбиосфера» (выше 60—80 км), куда никогда даже случайно не подни­маются живые организмы, но в незначительном количестве заносятся биогенные вещества (ее верхняя граница трудноуловима).

Жизнь в океанах достигает их дна. Живые организмы встречаются даже на глубине более 11 км, где температура воды около 200°С, но из-за высокого давления вода не кипит. Ниже, в базальтах, жизнь едва ли возможна.

Проникновение жизни в глубь литосферы ограничено высокими температурами земных недр и наличием жидкой влаги. В глубинах литосферы есть два теоретических предела распространения жизни — изотерма 100°С, ниже которой при нормальном атмосферном давле­нии вода кипит, а белки свертываются, и изотерма 460°С, где при любом давлении вода превращается в пар и жизнь принципиально невозможна (глубина 25 км). Перегретая жидкая вода обнаружена в литосфере до глубин 10,5 км. Нижняя граница жизни по литосфере фактически не опускается глубже 3—4, максимум 6—7 км на суше, и не более 1—2 км ниже дна океана.

Ниже геобиосферы расположена гипобиосфера («подбиосфера» — аналог парабиосферы в атмосфере) — слой, куда жизнь проникает лишь случайно и может здесь временно существовать, но не жить и размножаться. Еще ниже залегает метабиосфера — слой биогенных (преобразованных жизнью) пород, в котором ныне живые организмы не присутствуют (до 10—15 км). Образно выражаясь, это «следы былых биосфер». В ее нижней части процессы метаморфиз­ма горных пород стирают признаки жизни. Под метабиосферой расположена абиосфера («небиосфера») — слои литосферы, не испытывающие сейчас и никогда ранее не подвергавшиеся влиянию живых организмов (глубже 10—15 км).

Кроме того, разделяют такие понятия как эубиосфера, метабиосфера и панбиосфера. Эубиосфера (собственно биосфера) — слой между верхней границей гипобиосферы и нижней границей парабиосферы. Это область наиболее активной современной жизни. Мегабиосфераэубиосфера вместе с гипобиосферой и метабиосферой вглубь, и до озонового экрана вверх, т.е. область нынешнего и прошлого воздействия жизни на природу Земли. Панбиосфера — мегабиосфера с артебиосферой (пространством человеческой экспансии в околоземной Космос). Это оболочка Земли, преобразованная нынешней и прошлой жизнью и человеческой деятельностью. Вертикальная мощность эубиосферы в океанической области Земли достигает более 17 км, в сухопутной — 12 км. Мощность мегабиосферы — 33-35 км.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   ...   20

Похожие:

Конспект лекций 2007 Экология. Конспект лекций. Для студентов специальностей 080201 «Информатика» iconКонспект лекций для студентов заочной формы обучения направления 080201 (Информатика)
Предлагаемый конспект лекций представляет собой пособие по предмету “Теория информации”, который читается в Сумском государственном...

Конспект лекций 2007 Экология. Конспект лекций. Для студентов специальностей 080201 «Информатика» iconКонспект лекций по дисциплине «Общая биология»
Конспект лекций по дисциплине «Общая биология» для студентов 1 курса дневной и заочной форм обучения спец. 070800 «Экология и охрана...

Конспект лекций 2007 Экология. Конспект лекций. Для студентов специальностей 080201 «Информатика» iconКонспект лекций для студентов специальностей 050401, 050402, 050202, 050702
Метрология, стандартизация, сертификация : Конспект лекций для студентов специальностей 050401, 050402, 050202, 050702 / сост. Л....

Конспект лекций 2007 Экология. Конспект лекций. Для студентов специальностей 080201 «Информатика» iconКонспект лекций по курсу Начертательная геометрия
Конспект лекций по курсу начертательная геометрия (для студентов заочной формы обучения всех специальностей академии). Сост. Лусь...

Конспект лекций 2007 Экология. Конспект лекций. Для студентов специальностей 080201 «Информатика» iconКонспект лекций Конспект лекций для студентов, обучающихся по направлениям...
И классификация

Конспект лекций 2007 Экология. Конспект лекций. Для студентов специальностей 080201 «Информатика» iconКонспект лекций по курсу «Организация производства»
Конспект лекций по курсу «Организация производства» (для студентов и слушателей заочной формы обучения фпоизо специальностей 050100...

Конспект лекций 2007 Экология. Конспект лекций. Для студентов специальностей 080201 «Информатика» iconКонспект лекций по дисциплине «Автоматизированный электропривод»
Конспект лекций по дисциплине «Автоматизированный электропривод» (для студентов 4 курса всех форм обучения специальности 090603 –...

Конспект лекций 2007 Экология. Конспект лекций. Для студентов специальностей 080201 «Информатика» iconКонспект лекций по дисциплинам «Информатика и компьютерная техника»
«Электронная таблица Microsoft Excel» ( для студентов 1 курса дневной формы обучения специальностей 050200 «Менеджмент организаций»,...

Конспект лекций 2007 Экология. Конспект лекций. Для студентов специальностей 080201 «Информатика» iconКонспект лекций по дисциплине «Транспортные средства»
Конспект лекций предназначен для студентов специальностей 100400 «Транспортные системы», 100400 «Организация и регулирование дорожного...

Конспект лекций 2007 Экология. Конспект лекций. Для студентов специальностей 080201 «Информатика» iconКонспект лекций для студентов всех форм обучения специальности «Автоматика...
Конспект лекций рассмотрен и рекомендован к изданию кафедрами «Менеджмента и маркетинга» и «Экономика предприятий» Донижт, протокол...

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
uchebilka.ru
Главная страница


<