История развития экологии. Предмет экологии

1.

Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
кафедра водопользования и экологии
ЭКОЛОГИЯ
Лекция 1
История развития
экологии.
Предмет экологии
Макарова Светлана Витальевна
к.б.н., доцент

2.

Часть 1
ИСТОРИЯ ЭКОЛОГИИ
2

3. Периоды становления и развития экологии

I период – накопление эмпирических знаний о природе в
эпоху древних цивилизаций
II период (XV-XVIII вв.) - изучение влияния природных
условий на живые организмы и систематизация
накопленных знаний
III период (XIX – начало XX в.) появление
и развитие науки экологии
IV период (первая половина ХХ века) – формирование
системной концепции в экологии
V период (вторая половина ХХ века – настоящее время) –
современная экология
3

4. История экологии

Экология как самостоятельная
наука возникла в XIX веке
Ее основатель -
Эрнст Геккель
(1834-1919)
В 1866 г. ввел термин
«экология» и сформулировал
содержание новой науки
«Экология – это экономика
природы»
(οikos греч.— жилище, дом)
4

5. История экологии

Чарльз Дарвин
(1809-1882)
1859 г. – выход книги
«Происхождение видов путем
естественного отбора и
сохранение
благоприятствующих рас в
борьбе за жизнь»,
в которой раскрыты движущие
силы эволюции – борьба за
существование и естественный
отбор
5

6. История экологии

• «Экология — это познание экономики природы,
одновременное исследование всех взаимоотношений
живого с органическими и неорганическими
компонентами окружающей среды… Одним словом,
экология — это наука, изучающая все сложные
взаимосвязи в природе, рассматриваемые Дарвином
как условия борьбы за существование»
Э.Геккель
6

7. История экологии

Формирование системной концепции в экологии
(первая половина XX в.) –
Представления о целостности природных систем,
объединяющих сообщества живых организмов и условия их
обитания в единую функциональную структуру,
сформулированные в трудах некоторых ученых, не стали
господствующими взглядами в XIX веке, получили свое
развитие в первой половине ХХ в.
• Учение о биосфере (В.И.Вернадский, 1926)
• Концепция экосистемы (А.Тенсли, 1935)
• Учение о биогеоценозе (В.Н.Сукачев, 1942)
7

8. История экологии

В.И.Вернадский
(1863-1945)
1926 г. – выход книги
«Биосфера»
Биосфера - глобальная
система, функционирование которой основано
на динамическом единстве
и взаимодействии
«косных», «живых» и
«биокосных» компонентов
8

9. История экологии

• А. Тэнсли (1935) - ввел термин «экосистема»
Экосистемы – целостные функциональные единицы природы, в
которых как организмы, так и неорганические компоненты
находятся в относительно устойчивом равновесии
• В. Н. Сукачев (1942 ) – создал учение о биогеоценозе
Идеи о единстве организмов с физическим окружением, о
закономерностях, которые лежат в основе таких связей, об
обмене веществами и энергией между ними
9

10. История экологии

Современная экология
(вторая половина ХХ в. – начало XXI в.) • Накопление экологических проблем (загрязнение среды,
истощение ресурсов и др.) и озабоченность мирового
сообщества угрозой экологического кризиса
• Переход от антропоцентризма к биоцентризму в экологии.
Осознана роль человека как части природы и зависимость его
от природных процессов
• Экологическое образование и воспитание - неотъемлемая
часть культуры
Экология становится комплексной междисциплинарной
прикладной наукой, решающей задачи сохранения
биосферы
10

11.

Международная конференция ООН в Рио-де-Жанейро
«Окружающая среда и развитие» (июнь 1992 г.)
• Принята Концепция устойчивого развития, согласно которой
прогресс и удовлетворение потребностей нынешнего
поколения должно происходить не в ущерб будущим
поколениям
• «Повестка дня на XXI век» - стратегия перехода к
устойчивому развитию
• Одно из основных условий устойчивого развития – всеобщее
экологическое образование
11

12.

Л.И.Цветкова, М.И. Алексеев,
Ф.В.Кармазинов, Е.В.НевероваДзиопак
ЭКОЛОГИЯ
Учебник для технических вузов
(1999, 2001, 2012)
12

13. Федеральный закон от 10.01.2002 N 7-ФЗ «Об охране окружающей среды»

Статья 71. Всеобщность и комплексность экологического
образования
В целях формирования экологической культуры и
профессиональной подготовки специалистов в области
охраны окружающей среды устанавливается система
всеобщего и комплексного экологического образования,
включающая в себя общее образование, среднее
профессиональное образование, высшее образование и
дополнительное профессиональное образование
специалистов, а также распространение экологических
знаний, в том числе через средства массовой информации,
музеи, библиотеки, учреждения культуры, природоохранные
учреждения, организации спорта и туризма
13

14. Федеральный закон от 10.01.2002 N 7-ФЗ «Об охране окружающей среды»

Статья 74. Экологическое просвещение
Ч.1. В целях формирования экологической культуры в
обществе, воспитания бережного отношения к природе,
рационального использования природных ресурсов
осуществляется экологическое просвещение посредством
распространения экологических знаний об экологической
безопасности, информации о состоянии окружающей
среды и об использовании природных ресурсов.
14

15.

Академик А.Ф.Алимов
(1933-2019)
«В наше время экология стала
популярной. К сожалению, в нашей
стране слово «экология» с легкой руки
непрофессионалов широко
употребляется для обозначения всех
форм взаимоотношений человека и
окружающей среды, в том числе, им
же созданной.
Часто науку экологию и
окружающую среду рассматривают
как синонимы и связывают с
проблемами взаимоотношений
человека и природы…
Непрофессиональное использование
понятия «экология» приводит к
размыванию представления о науке,
которая имеет специфический
предмет, метод и цель исследования»
(Алимов А.Ф. Об экологии всерьез// Вестник Росс. Акад.
Наук, т.72, №12, 2002, с.1075-1080)

16.

Необходимо запомнить:
• Экология - это НЕ синоним понятия «окружающая среда»
• Экология – это НЕ характеристика состояния окружающей
среды, поэтому она не может быть «плохой» или
«хорошей»
• Экология – это НЕ синоним понятия «охрана природы»
• Экология – это НЕ общественная деятельность. Эколог – это
человек, получивший специальное образование
ЭКОЛОГИЯ – ЭТО НАУЧНАЯ ДИСЦИПЛИНА,
ИЗУЧАЮЩАЯ БИОСИСТЕМЫ НАДОРГАНИЗМЕННОГО
УРОВНЯ
16

17.

Часть 2
ПРЕДМЕТ ЭКОЛОГИИ
17

18. Предмет экологии

• Биосфера состоит из биологических систем, т. е. биосистем
разного уровня сложности и организации
• Биосистемы — это природные системы, в которых живые
компоненты, называемые биотическими, упорядоченно
взаимодействуют с неживой физической средой
(абиотическими компонентами), составляя с ними единое
целое.
• Все абиотические компоненты в конечном итоге
представляют собой вещества и энергию
• Биосистемы, составляющие биосферу, связаны между собой
иерархической структурой, образуя «служебную лестницу
жизни»
18

19. Предмет экологии

Биотические и абиотические компоненты вместе образуют
соответствующие биосистемы, расположенные в
следующем порядке:
1) генетические системы
2) клеточные системы
3) системы органов
4) системы организмов
5) популяционные системы
6) экологические системы, или экосистемы
19

20.

Биосистемы
20

21. Предмет экологии

• Биосистемы разных уровней являются предметом изучения
различных дисциплин: генетические системы изучает
генетика, клеточные - цитология, органы - физиология,
организмы - разнообразные разделы ботаники, зоологии,
микологии, микробиологии
• Предметом экологии являются биосистемы
надорганизменного уровня — популяционные,
экологические и биосфера
Экология – это наука о закономерностях существования и
развития надорганизменных биологических систем
21

22. Популяционные системы

В популяционных системах биотический компонент
представлен популяциями
• Популяция — это совокупность разновозрастных
особей
одного
вида,
обменивающихся
генетической
информацией,
объединенных
общими условиями существования, необходимыми
для поддержания численности в течение
длительного
времени:
общностью
ареала,
происхождением, свободным скрещиванием и др.
22

23. Популяционные системы

Основные характеристики популяции:
• Численность, биомасса
• Плотность – это величина численности и биомассы
популяции, отнесенная к единице площади или объема
пространства
• Рождаемость – число новых особей, появившихся за
единицу времени в результате размножения
• Смертность – показатель, отражающий количество
погибших в популяции особей за определенный отрезок
времени;
• Прирост популяции – разница между рождаемостью и
смертностью; прирост может быть как положительным, так и
отрицательным
23

24. Популяционные системы

• Кривые выживания изменение численности в
зависимости от возраста
1- смертность повышается с
возрастом
2- смертность не зависит от
возраста
3- высокая смертность на ранних
стадиях
1
2
3
Форма кривой определяется:
- степенью заботы о потомстве
- плотностью популяции
Возраст, % продолжительности жизни
(по Крискунову, 1995)
24

25. Популяционные системы

• Пространственная структура популяции – характер
распределения организмов в пространстве
Пространственная структура популяции
(А – случайное, Б – равномерное, В – групповое распределение,
по Ю.Одуму, 1986)
25

26.

Виды, живущие группами
26

27. Популяционные системы

• Возрастная структура популяции – соотношение
различных возрастных групп, в популяции, определяющее ее
способность к размножению
в развивающихся популяциях значительная доля приходится на молодые
особи;
в стабильных популяциях возрастное распределение
относительно равномерно,
в вымирающих популяциях молодые особи составляют меньшую долю
от общей численности
Анализ возрастной структуры позволяет прогнозировать
численность популяций на ряд ближайших лет, что важно
для сохранения биоразнообразия, решения социальных
задач и промысла
27

28.

Возрастная структура популяции
28

29. Популяционные системы

• Динамика популяций
Межгодовая динамика численности популяций
(по Крискунову и др., 1995)
29

30. Динамика народонаселения

• Динамика народонаселения определяется, главным образом,
социальными и экономическими факторами
• Для оценки демографической ситуации используются:
коэффициенты рождаемости (КР) и коэффициенты
смертности (КС)
КР =
Число рожденных детей в год × 1000
Численность населения*
КС =
* - на середину года
30
Число умерших за год × 1000
Численность населения*

31. Динамика народонаселения

• Коэффициент прироста населения (КП) - ежегодный
прирост населения (%)
КП = (КР – КС)/10
• Средний коэффициент фертильности (СКФ) – среднее
число детей у одной женщины
• Коэффициенты рождаемости и средний коэффициент
фертильности зависит от одних и тех же факторов
31

32. Динамика народонаселения

• Уровень образованности и обеспеченности - снижение КР
и СКФ при повышении уровня образования и
экономического благосостояния
• Урбанизация – у городского населения коэффициенты ниже
• Высокая стоимость воспитания и образования снижает
коэффициенты в тех странах, где детский труд запрещен
• Возраст вступления в брак – чем он выше, тем ниже
коэффициенты
32

33. Динамика народонаселения

• Пенсионное обеспечение – при высоком уровне
пенсионного обеспечения коэффициенты снижаются
• Культурные традиции и религиозные убеждения
• Коэффициент детской смертности – чем он выше, тем
КР и СКФ выше
• Использование детского труда – повышает
коэффициенты
33

34.

Средний коэффициент фертильности
https://www.cia.gov/the-world-factbook/
34

35.

Динамика роста населения за 10 000 лет,
млрд. чел.
35

36. Динамика народонаселения

• В первые миллионы лет истории человечества
численность населения росла экспоненциально,
но медленно (0,002% в год)
• В настоящее время динамика роста численности
населения на планете описывается J-образной
кривой
• Самый большой прирост населения Земли был в
1970 г. (2.06%)
• В настоящее время прирост населения снизился
до 1.1% в год
36

37. Динамика народонаселения

Неуклонный рост численности населения земли
приводит к:
• повышению нагрузки на биосферу
• росту загрязнения окружающей среды
• истощению природных ресурсов
• возрастанию энергетических потребностей,
поэтому демографические проблемы в современном мире
становятся предметом не только таких наук как
демография и социология, но и экологии
37

38. Экосистема

• Термин «экосистема» предложил Артур Тенсли (1935 г.)
• Экосистема – это биосистема надорганизменного
уровня, в которой биотические компоненты
представлены биоценозом, а абиотические биотопом
Биоценоз (от греч. bios - «жизнь» и koinos - «сообщество») –
сообщество живых организмов, совокупность популяций
различных видов
Биотоп (от греч. bios — жизнь и topos — место) –
определенное пространство абиотической среды, в
котором обитает биоценоз
38

39. Состав экосистемы

Экосистема
39

40. Состав экосистемы

I.
40
Абиотические компоненты (биотоп) – физические и
химические компоненты неживой природы
неорганические вещества и химические элементы,
участвующие в обмене веществ между живой и неживой
материей: СО2, Н2О, О2, Са, Mg, K, Na, Fe, N, P, S и др.
органические вещества, связывающие абиотическую и
биотическую части экосистем: углеводы, жиры,
аминокислоты, белки и др.
поток энергии
среда обитания (наземно-воздушная или водная)
климатический режим
гидрологические условия (течения) и т.д.

41. Состав экосистемы

II. Биотические компоненты (биоценоз) – компоненты живой
природы (живые организмы)
Структура биоценоза
41

42. Состав экосистемы

1. Продуценты
(лат. producens – cоздающий, производящий)
• Основная функция в экосистеме – синтез органических
веществ из неорганических
• В качестве питательного материала используют
неорганические вещества (воду, углекислый газ, нитраты,
фосфаты и др.)
• В качестве источников энергии используют солнечный свет
(фотоавтотрофы) или энергию химических реакций
(хемоавтотрофы)
42

43.

Состав экосистемы
• Фотоавтотрофы –
используют энергию
солнечного света в
процессе фотосинтеза
- Зеленые растения
- Цианобактерии
(синезеленые водоросли)
- Пурпурные и зеленые
серобактерии
43

44. Состав экосистемы

• Хемоавтотрофы используют энергию химических реакций
в процессе хемосинтеза
Например:
- Нитрифицирующие бактерии
- Железобактерии
- Тионовые бактерии
44

45. Состав экосистемы

2. Консументы (лат. consume – потреблять)
• Потребляют готовое органическое вещество в качестве
источника пищи и энергии (животные, человек) – являются
гетеротрофами
• В экосистеме осуществляют начальную стадию разложения
органических веществ
• Подразделяются в зависимости от потребляемого
органического вещества:
- Фаготрофы (греч. phagos – пожирающий) – питаются
другими организмами (хищники, травоядные)
- Cапротрофы (греч. sapros – гнилой) - питаются мертвым
органическим веществом (дождевые черви, грифы и др.)
45

46.

Фаготрофы и сапротрофы
46

47. Состав экосистемы

3. Редуценты (лат. reductio – возвращение, восстановление)
• Основная функция в экосистеме – минерализация
органических веществ (разложение мертвых органических
веществ до неорганических ):
- очищение природной среды от отходов
- возвращение веществ в круговорот
К редуцентам относятся: бактерии, низшие грибы
47

48. Состав экосистемы

Неорганические
вещества
Отмирание
Продуценты
Консументы
Редуценты
Взаимодействие организмов в биоценозе
48

49. Пространственная структура экосистем

С точки зрения пространственной структуры, в природных
экосистемах можно выделить два яруса:
• Верхний, автотрофный ярус, или «зеленый пояс» Земли надземная часть экосистемы, или толща воды в водоеме, куда
проникает солнечный свет и где присутствуют зеленые
растения. Преобладает синтез органических веществ
(фотосинтез)
• Нижний, гетеротрофный ярус, или «коричневый пояс»
Земли - почвы в наземных экосистемах и донные отложения в водных. Преобладают процессы разложения мертвых
органических остатков (минерализация)
49

50. Пространственная структура

Граница между лесом и болотом (фото В.В.Горшкова)
50

51. Пространственная структура

Экотон
Экосистема 1
Экосистема 2
Переходная зона между двумя экосистемами
называется экотон
51

52.

Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
кафедра водопользования и экологии
Автор
Макарова Светлана Витальевна
[email protected]

53.

Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
кафедра водопользования и экологии
ЭКОЛОГИЯ
Лекция 2
Синтез и разложение
органических веществ
в экосистемах
Макарова Светлана Витальевна
к.б.н., доцент

54. Образование и разложение органических веществ в экосистемах

• Образование и разложение органических
веществ, или взаимодействие автотрофных и
гетеротрофных процессов — наиболее важная
функция экосистем
• В результате этих процессов происходит
накопление и высвобождение солнечной энергии,
трансформация веществ в масштабах не только
отдельно взятой экосистемы, ни и биосферы в
54
целом

55. Часть 1

СИНТЕЗ ОРГАНИЧЕСКИХ
ВЕЩЕСТВ
(автотрофные процессы)
55

56.

Солнечная энергия – источник жизни на Земле
56

57. 1. Фотосинтез

Фотосинтез – образование органических
веществ на свету, накопление солнечной энергии
путем превращения ее потенциальную энергию
химических связей органических соединений
Организмы, осуществляющие фотосинтез
(фотоавтотрофы):
Зеленые растения
Цианобактерии (синезеленые водоросли)
Пурпурные и зеленые серобактерии
57

58. История открытия фотосинтеза

• Аристотель: растения питаются почвой
• 1624 г. – Эксперимент Ван Гельмонта с саженцем ивы.
Вывод: растение питается водой
• 1771 г. – Джозеф Пристли открыл, что растения
«исправляют воздух» – выделяют кислород
58

59. История открытия фотосинтеза

• 1796 г. – Ян Ингенхауз обнаружил, что кислород
выделяется только на свету и только зелеными частями
растений
• Обнаружено, что поглощается углекислый газ и
образуется органическое вещество
• 1818 г. - П. Ж. Пеллетье и Ж. Каванту выделили
хлорофиллы
• 1842 г. – Р. Майер – световая энергия преобразуется в
энергию органических связей органических веществ
• 1877 г. В. Пфеффер назвал этот процесс фотосинтезом
• 1931 г. – К. Ван Ниль открыл аноксигенный фотосинтез
у серных бактерий
59

60.

• 1.1. Оксигенный фотосинтез
Q
• 6CO2 + 6H2Oглюкоза
= C6H12O6 + 6O2
(зеленые растения, цианобактерии)
• 1.2. Аноксигенный фотосинтез
Q
• CO2 + 2H2S = (CH2O) + H2O + 2S
(пурпурные и зеленые серные бактерии)
60

61.

• Глобальная роль
фотосинтеза:
• Накопление кислорода в
атмосфере Земли
• Формирование озонового
слоя
• Эволюция живых
организмов
• Потребление углекислого
газа; поддержание состава
атмосферы
• Создание органического
вещества (250 млрд.т/год)
61

62.

Сравнение состава атмосферы и температурных условий
на Земле и других планетах
(по Ю. Одуму, 1986, с изменениями)
62

63. 2. Хемосинтез

• Хемосинтез – образование органических веществ с
использованием энергии химических реакций
• Нитрифицирущие бактерии:
• 2NH3 + 3O2 = 2HNO2 + 2H2O + Q1,
• 2HNO2 + O2 = 2HNO3 + Q2.
• Железобактерии:
• 4Fe(HCO3)2 + O2 + H2O = 4Fe(OH)3 +
8CO2 + Q
63

64.

Железобактерии в природе
64

65.

Экосистемы «черных курильщиков», существующие за счет хемосинтеза
(фото с сайтов www.ucmp.berkley.edu и www.marinebio.net/marinescience)
65

66. Часть 2

РАЗЛОЖЕНИЕ
ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
(гетеротрофные процессы)
66

67.

• Разложение органических веществ происходит в
процессе метаболизма (греч. metabol —
изменение) в живых клетках
• Метаболизм - совокупность биохимических
реакций и превращений энергии в клетках живых
организмов, сопровождающихся обменом
веществ между организмом и средой
• Катаболизм - сумма реакций, ведущих к
распаду сложных молекул и выделению энергии
• Анаболизм - совокупность реакций синтеза
сложных молекул из более простых с
накоплением энергии
67

68. Дыхание

Энергия органических веществ выделяется в
метаболических процессах при дыхании
организмов
• Дыхание — это процесс биохимического
окисления, в результате которого энергия,
выделенная при распаде органических веществ,
передается на универсальную энергонесущую
молекулу аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ),
где она хранится в виде высокоэнергетических
фосфатных связей
68

69. Схема молекулы АТФ

Р
Аденин
Р
Р
Рибоза
Макроэргические связи
69
АТФ
АДФ + РО43- + Q
АДФ
АМФ + РО43- + Q

70. 1. Аэробное дыхание

• C6H12O6 + 6O2 = 6СO2 + 6H2O + Q1
• Q1 = Qпот = 686 ккал / моль (38 молекул АТФ)
процесс, обратный фотосинтезу
акцептором электронов является кислород
появление аэробного дыхания создало предпосылки
для появления многоклеточных форм жизни и их
эволюции (за счет высокого выхода энергии)
• аэробное дыхание протекает у подавляющего
большинства живых организмов, включая растения
70

71. 2. Анаэробное дыхание

• C6H12O6 + CH3COOH = 4CO2 + 4CH4 + Q2
метан
Q2 < Qпот (2 молекулы АТФ)
• Акцептором электронов служит не кислород, а какиелибо окисленные соединения – нитраты, сульфаты,
органические кислоты и др.
• Происходит в основном у анаэробных бактерий, но
может протекать в тканях животных и человека
• Разложение идет с образованием продуктов неполного
окисления, содержащих энергию
71

72. 3. Брожение

Ферменты
• C6H12O6 = 2C2H5OH + 2CO2 + Q3
этанол
Q3 < Qпот (2 молекулы АТФ)
Анаэробный процесс, разновидность дыхания, при
котором органическое вещество само служит и
донором, и акцептором электронов
• Протекает у дрожжей, молочнокислых,
уксуснокислых бактерий и др.
• Процесс идет с образованием продуктов неполного
окисления
72

73. Часть 3

БИОТИЧЕСКИЙ БАЛАНС
В ЭКОСИСТЕМАХ
73

74. 1. Продукция и деструкция

• Процессы образования органических веществ и их
распад в масштабах экосистемы и биосферы
называют также процессами продукции (лат.
productio — создание, производство) и деструкции
(лат. destructio — разрушение)
• Продукция (первичная продукция) – органическое
вещество созданное продуцентами (главным
образом, в процессе фотосинтеза) в единицу времени
на единицу пространства
• Деструкция – органическое вещество, распавшееся в
единицу времени на единице пространства в
результате дыхания всех организмов
74

75. 2. Биотический баланс

• Продукционно-деструкционный (биотический) баланс
экосистемы - соотношение скоростей автотрофных и
гетеротрофных процессов (синтеза и распада, продукции
и деструкции)
• Биотический баланс - важная функциональная
характеристика экосистем:
• П/Д >1 – положительный баланс – органическое
вещество накапливается (автотрофная экосистема)
• П/Д≈1 – нулевой баланс (излишки органических веществ
отсутствуют)
• П/Д<1 – отрицательный баланс (гетеротрофная
экосистема)
75

76.

• Примеры экосистем с различным биотическим
балансом:
• Автотрофные экосистемы: тропический лес,
эвтрофное озеро, агроэкосистема
• Экосистемы с нулевым балансом: олиготрофные
озера, пустыни, глубоководные районы океана
• Гетеротрофные экосистемы: горная река, город,
канализационные очистные сооружения (аэротенки)
Изменение биотического
баланса экосистемы может быть
следствием негативного
антропогенного воздействия
76

77.

• Продукционно-деструкционный баланс в
биосфере в целом положительный (П>Д)
• Соотношение концентраций СО2 и О2 в атмосфере
характеризует баланс автотрофных и гетеротрофных
процессов в биосфере в целом
• За последние 60 млн. лет в атмосфере установилось
относительно постоянное содержание О2 (21%) и
СО2 (0,038%).
• Отставание процессов разложения органических
веществ от процессов синтеза их зелеными
растениями обусловило накопление в недрах
горючих ископаемых (300-500 млн. лет назад), а в
атмосфере — кислорода
77

78. 3. Продуктивность экосистем

• Продуктивность экосистем - это скорость, с
которой живые организмы экосистемы производят
органическое вещество (биомассу)
• Рассчитывается за единицу времени на единице
площади (для наземных экосистем) или в единице
объема (для водных экосистем)
• Единицы измерения:
• количество сконцентрированной в биомассе энергии
(ккал / м2•сут. или ккал / м2•год)
• количество связанного в биомассе углерода (гС/м2•сут.
или гС/ м2•год)
• 1 ккал энергии = 0,1068 г углерода С
78

79.

• Продуктивность экосистем определяется
комплексом факторов:
• наличием воды
• количеством и доступностью питательных веществ
• интенсивностью солнечной радиации
• климатическими условиями
• способностью экосистемы привлекать дополнительные источники энергии и т.д.
• Основная биомасса и продуктивность Земли
определяется лесами и болотами
• Главный вклад вносят тропические леса - 29%
• Вклад лесов умеренного пояса и бореальных лесов
составляет 15%.
79

80.

• Плодородие
джунглей Амазонки
обеспечивает
фосфор из
высохшего озера в
центре Сахары
(Республика Чад)
• Ежегодно из Сахары
выносится в
среднем 182 млн. т
пыли, а до
Амазонии доходит
около 28,8 млн. т
(Hongbin Yu et al.,
2015)
80
Фото NASA's Goddard Space Flight Center
(с сайта lenta.ru)

81.

81

82.

Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
кафедра водопользования и экологии
Автор
Макарова Светлана Витальевна
[email protected]

83.

Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
кафедра водопользования и экологии
ЭКОЛОГИЯ
Лекция 3
Саморегуляция и
стабильность экосистем
Макарова Светлана Витальевна
к.б.н., доцент

84. Свойства экосистем

• Свойства биосистем можно разделить на две
группы: совокупные и качественно новые
(эмерджентные) свойства
• Совокупные свойства складываются из свойств
отдельных подсистем, входящих в систему,
представляют собой сумму свойств отдельных
компонентов
• Эмерджентные свойства являются следствием
иерархической организации живой материи и не
сводятся к сумме свойств отдельных компонентов
системы
84

85.

Часть 1
САМОРЕГУЛЯЦИЯ В
ЭКОСИСТЕМАХ
85

86. 1. Прямые и обратные связи

Саморегуляция – способность биосистем
поддерживать свою структуру и функции в
изменяющихся условиях среды
Все биосистемы, в том числе организмы,
популяции и экосистемы имеют кибернетическую
природу
Физические и химические сигналы формируют
информационные сети
Управление основано на обратных связях
86

87.

Прямая связь:
А
В
• при изменении параметра А, меняется параметр
В
В, зависимая переменная
А, независимая переменная

88.

Обратная связь:
А
В
При изменении параметра А происходит
изменение параметра В, что в свою очередь
приводит к изменению параметра А

89.

Управляющие механизмы, основанные на обратной связи
(по Ю.Одуму,1986, с изменениями)
89

90.

Обратные связи бывают двух типов:
Положительная обратная связь – усиливает
однонаправленные изменения в системе
дополнительной информацией, поступающей с
выхода на вход
Отрицательная обратная связь - уменьшает
действие входного сигнала на систему
В процессах саморегуляции оба типа связи
действуют совместно
90

91.

Положительная обратная связь:
А
+
+
В
• При увеличении параметра А происходит
увеличение параметра В, что в свою очередь
приводит к увеличению параметра А и т.д.
• Обратная положительная связь (при отсутствии
ограничений) ведет систему к изменению, все дальше и
дальше от исходного состояния (саморазгоняющаяся
связь)

92.

• Пример положительной обратной
связи: Начальные этапы роста
популяции при захвате новых
территорий (экспансия)
• Чем
больше численность тем
Численность
популяции
выше
рождаемость темРождаемость
больше
численность ….

93. Отрицательная обратная связь:

А
–
В
• При увеличении А происходит уменьшение В,
приводящее к снижению увеличения и последующей
полной остановке роста А.
• Отрицательные обратные связи определяют
возможность стабилизации и равновесного состояния
системы

94.

Гомеостаз – это равновесное состояние
биосистемы.
Гомеостаз - способность биосистем, в том
числе популяционных и экологических,
поддерживать устойчивое динамическое
равновесие в изменяющихся условиях
среды с помощью обратных связей
94

95. 2. Саморегуляция на уровне организма

• Саморегуляция на уровне организма
обеспечивается специализированными структурами
(рецепторы, проводящие пути, регуляторные
центры и др.)
Сигнал
Рецептор
Анализатор
Преобразователь
95

96. 3. Саморегуляция в популяциях и экосистемах

• Саморегуляция в популяциях и экосистемах
осуществляется при помощи обратных связей без
регуляции из «постоянной точки»:
• Пищевые взаимоотношения
• Физиологическое влияние «перенаселенности»:
- снижение рождаемости (принцип Олли),
- самоизреживание растений
• Скорость минерализации веществ редуцентами и
включения их в круговорот и т.д.
96

97.

Гомеостаз популяции, регулируемый доступностью пищи
97

98.

Самоизреживание древесных насаждений
(сокращение количества деревьев с возрастом: 1-сосны, 2-березы, 3- ели,
по Г.Ф.Морозову, 1928)
98

99.

Часть 2
СТАБИЛЬНОСТЬ
ЭКОСИСТЕМ И БИОСФЕРЫ
99

100. 1. Устойчивость экосистем к внешним воздействиям

• Стабильность экосистемы – способность
возвращаться в исходное состояние после того, как она
была выведена из состояния равновесия
• Стабильность определяется устойчивостью к внешним
воздействиям:
• Резистентная устойчивость – способность экосистемы
сопротивляться нарушениям, но после воздействия не
восстанавливается, или восстанавливается медленно
• Упругая устойчивость – экосистема легко поддается
воздействиям, но быстро восстанавливается
100

101.

Резистентная и упругая устойчивость
(по Ю.Одуму, 1986, с изменениями)
101

102.

Устойчивость экосистем к пожарам:
Степи – упругая устойчивость
102
Лес – резистентная устойчивость

103.

Упругая устойчивость заросли вереска
103
Резистентная устойчивость секвойя

104. 2. Биоразнообразие

• Биоразнообразие – фактор обеспечения равновесия и
стабильности экосистем в биосферы в целом:
• Генетическое разнообразие – многообразие генотипов
у особей одного вида. Повышает устойчивость
популяций и их приспособляемость к изменению среды.
• Видовое разнообразие – многообразие видов внутри
биоценоза. «Избыточность» видов, принадлежащих к
одной функциональной группе повышает стабильность и
уменьшает риск нарушения процессов саморегуляции
104

105.

Взаимодействие организмов в экосистеме
А – автотрофы, Г-гетеротрофы, З – запасы питательных веществ
105

106.

https://www.ipbes.net/news/Media-Release-Global-Assessment
106

107.

107

108. 3. Постоянство состава атмосферы

• Поддержание стабильного состава атмосферы
обеспечивается:
-
процессом фотосинтеза; преобладанием скорости
автотрофных процессов над скоростью гетеротрофных
• n CO2 + n H2O = (CH2O)n + n O2
-
буферной карбонатной системой океана, связывающей
углекислый газ
• CO2 + CaCO3 + H2O = Ca(HCO3)2
108

109.

• Атмосфера, океан и
растительность
выполняют роль
накопителей и
регенераторов отходов
109
Сравнительные объемы
• атмосферы и океана,
приходящиеся
• на 1 кв.м суши
• (по Ю. Одуму, 1986)

110. 4. Круговороты веществ

• Большой (геологический) – перенос веществ, в
основном минеральных соединений, из одного места в
другое в масштабах планеты
• Около 30% солнечной энергии тратится на перемещение
воздушных масс, испарение воды, растворение минералов и
т.д. Это приводит к эрозии почв, горных пород, транспорту и
перераспределению механических и химических осадков.
• Малый (биотический) – в основе лежат процессы
образования и разложения органических соединений.
• На это затрачивается около 1% солнечной энергии. Выделяют:
локальные биотические круговороты, биогеохимические циклы
материков и океанов , общепланетарный биогеохимический
круговорот

111.

• Биогеохимические циклы – более или
менее замкнутые пути движения
химических элементов в живых
организмах, горных породах, воде и
воздухе являются основой
самоподдержания жизни на Земле
111
• Выделяют 2 типа циклов:
газообразные (циклы азота, углерода)
– с резервным фондом в атмосфере и
осадочные (фосфор) – с резервным
фондом в земной коре

112.

Биогеохимические циклы
Энергия
Вещества
Пв, Пч, Пвт – валовая, чистая и
вторичная продукция
112

113.

4.1. Круговорот воды
113

114.

• Влияние человека
• Перераспределение
(уменьшаются запасы
подземных вод,
увеличивается сток в
океан, создаются
водохранилища и др.)
• Уничтожение лесов –
уменьшение
транспирации, изменение
климата,
• иссушение почв,
опустынивание
•Количество
Загрязнение
воды на земле постоянно, но ее качество –
исчерпаемый ресурс
https://socratic.org

115. 4.2. Круговорот углерода

Газообразный цикл. Основан на потреблении СО2 из атмосферы и
поступлении его в воздух

116.

Потребление СО2 из атмосферы
Поступление СО2 в атмосферу
Фотосинтез
Дыхание всех организмов
CO2+H2O = CH2O+O2
Реакция с карбонатами в океане
СO2 + H2O + CaCO3 = Ca(HCO3)2
При выветривании горных пород
Минерализация органических
веществ
Выделение из осадочных пород
по трещинам земной коры
Извержении вулканов (0.01%)
Лесные пожары
Сжигание ископаемого топлива,
окисление гумуса при вспашке
полей

117.

В настоящее время концентрация СО2 возросла (с 0.03 до 0.038%)
• В связи с этим
наблюдается снижение рН
вод мирового океана
(ацидификация)
• За последние 150 лет
среднее значение pH
понизилось на 0,1.
• Подкисление морской
воды ухудшает условия
существования
организмов, образующих
известковые раковины
(например у моллюсков)
https://www.pmel.noaa.gov/co2/files/co2_time_series_03-082017.jpg

118. 4.3. Круговорот азота

В атмосферном воздухе содержится 79% молекулярного азота,
содержание его не меняется

119.

• Потребление азота:
• В процессе биологической
фиксации
микроорганизмами
• Превращение в NОx и NHз
при грозовых разрядах
• В процессе
промышленного синтеза
аммиака
• Потребление растениями
минеральных форм азота
из почв и воды
• Поступление в атмосферу:
• В процессе денитрификации
(деятельность
микроорганизмов)
• С вулканическими газами
• При сжигании топлива (в виде
оксидов)
• Поступление в водоемы:
• С дренажным стоком с
природных и
сельскохозяйственных
территорий
• Со сточными водами

120. 4.4. Круговорот фосфора

Круговорот фосфора является примером осадочного цикла

121.

Резервный фонд фосфора находится в горных породах
(фосфориты, апатиты). Циркуляция легко нарушается,
круговорот не замкнут
Потребление:
• Растениями и животными
для построения
нуклеиновых кислот, АТФ,
фосфолипидов и др.)
• В промышленном
производстве удобрений,
моющих средств
Поступление:
• В процессе эрозии
фосфатных пород
• При минерализации
органических веществ
• При использовании
удобрений и сбросе
сточных вод в водоемы

122.

Антропогенное эвтрофирование водоемов
• Поступление избыточного
количества азота и фосфора
в водные объекты (со
сточными водами и при
смыве удобрений с полей)
приводит к повышению их
продуктивности
–
антропогенному
эвтрофиро-ванию.
• В эвтрофных водоемах
наблюдается
цветение
воды
–
интенсивное
развитие фитопланктона, в
основном цианобактерий
(Cyanobacteria)

123. 4.5. Круговороты второстепенных элементов

Круговорот ртути. Числа в прямоугольниках – запас, сотни тонн; на стрелках –
потоки, сотни тонн/год (в скобках – естественный фон, до начала использования ртути
человеком)

124.

124

125. Заключение

Человеческая деятельность опирается на
положительные обратные связи, что приводит к
нарушению процессов саморегуляции в экосистемах,
загрязнению окружающей среды, истощению ресурсов,
деградации природной среды
Нужно использовать механизмы управления,
опирающиеся на обратные отрицательные связи
• Способность экосистем и биосферы к саморегуляции и
поддержанию стабильности не безгранична!
• Поэтому необходимо разрабатывать и соблюдать
нормативы допустимых антропогенных воздействий на
природную среду
125

126.

Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
кафедра водопользования и экологии
Автор
Макарова Светлана Витальевна
[email protected]

127.

Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
кафедра водопользования и экологии
ЭКОЛОГИЯ
Лекция 4
Развитие экосистем.
Многообразие экосистем
Макарова Светлана Витальевна
к.б.н., доцент

128. Часть 1

Экологические сукцессии
128

129. Причины и типы сукцессий

• Экологическая сукцессия — это закономерная
последовательная смена биоценозов, преемственно
возникающих на одном и том же биотопе под
воздействием природных или антропогенных факторов
Сукцессии можно подразделить следующим образом:
по причинам: аллогенная и аутогенная
по месту протекания: первичная и вторичная
По биотическому балансу: автотрофная и
гетеротрофная
• Каждую сукцессию можно охарактеризовать тремя
способами
129

130. Причины и типы сукцессий

• Причины
сукцессий могут быть различными:
• Если изменения определяется внутренними
взаимодействиями – это аутогенная сукцессия
• Аутогенная сукцессия - это направленное предсказуемое
и обратимое развитие экосистемы до установления
равновесия между сообществом (биоценозом) и
абиотической средой
• Если изменения вызваны внешним воздействием
(пожар, деятельность человека и др.) – аллогенная
сукцессия
• Аллогенные сукцессии экосистем, вызванные
человеком, приводят к их упрощению
130

131. Изменение характеристик экосистем при сукцессиях

• Аутогенные сукцессии — это естественное
закономерное биотическое развитие экосистем, идущее
по автотрофному типу
• Общая стратегия развития экосистем состоит в
возрастании эффективности использования энергии и
биогенных элементов, достижении максимального
разнообразия видов, усложнении структуры и
возрастании их стабильности
131

132. Изменение характеристик экосистем при сукцессиях

Изменение
характеристик
экосистем
Аутогенная сукцессия
при
сукцессиях
Группа
признаков
Тенденции изменения
Энергетика
Возрастает продукция органического вещества (П)
Возрастает биомасса организмов (Б)
Увеличиваются траты на дыхание (Д)
П/Д приближается к 1, Б/П возрастает
Круговорот веществ
Круговорот веществ становится более замкнутым
Увеличивается время оборота и запасы биогенов
Структура
сообщества
Меняется видовой состав, растет биоразнообразие
Увеличиваются размеры организмов
Усложняются и удлиняются жизненные циклы
Развивается симбиоз
Стабильность
Возрастает резистентная устойчивость
Снижается упругая устойчивость
132

133.

Заболачивание лесных озер – аутогенная сукцессия
133

134.

Аутогенная сукцессия
(зарастание прибрежья)
134
Аллогенная сукцессия
(преобразование ландшафта
человеком)

135. Причины и типы сукцессий

• По месту протекания выделяют два типа сукцессий:
• Первичная сукцессия начинается на участке, прежде не
занятом живыми организмами и лишенном почв –
• заселение скал, остывшей лавы после извержения
вулкана, районов добычи полезных ископаемых; длится
сотни и тысячи лет
• Вторичная сукцессия – начинается там, где
существовало сообщество и есть почвы и донные
отложения –
• восстановление леса после пожара, заболачивание озер
и др.; протекает быстрее, чем первичная
135

136.

Первичная сукцессия в природе и в городской
среде
136

137.

137

138.

Лишайники на скалах
138

139.

Остывшая лава (Этна, Сицилия)
139

140.

140

141.

141

142.

142

143.

Поздние стадии первичной сукцессии на остывшей лаве (Везувий)
143

144. Причины и типы сукцессий

Первичная сукцессия на скалах (поздние стадии)
144

145. Восстановление сообщества бореальных лесов после пожара, вторичная сукцессия (В.В.Горшков, 2009)

200 – 500 лет
4 года
55 лет

146. Причины и типы сукцессий

Вторичная сукцессия в умеренном климате
(по Е.А.Крискунову и др., 1995, с изменениями)
146

147. Причины и типы сукцессий

• Сукцессии возникают в несбалансированных
сообществах:
если П > Д – автотрофная сукцессия –
характеризуется длительным преобладанием
автотрофных организмов, наиболее распространенное в
природе явление
• если П < Д – гетеротрофная сукцессия –
характеризуется преобладанием редуцентов, протекает
в среде, перенасыщенной органическим веществом
(например, в реке, загрязненной сточными водами)
147

148. Признаки зрелости экосистем

• Отношение П/Д является показателем функциональной
зрелости экосистем
В процессе сукцессии П/Д стремится к 1
Состояние стабилизированной (зрелой) экосистемы
называется климаксом
Климаксные системы образуют сложную сеть
взаимоотношений, поддерживающих их стабильное
состояние
Теоретически такое состояние должно быть постоянным
во времени и существовать до тех пор, пока его не
нарушат сильные внешние возмущения
148

149. Признаки зрелости экосистем

Сукцессия в различных
экосистемах
149

150. Признаки зрелости экосистем

150
• Незрелые экосистемы:
• Зрелые экосистемы:
Низкое видовое разнообразие
Простые схемы питания:
много продуцентов и
травоядных, мало
редуцентов
Растения в основном
однолетние травы
Питательные веществ
мало
Высокое видовое разнообразие
Сложные схемы питания,
доминируют редуценты
Растения – деревья и
многолетние травы
Экосистема обеспечивает
себя питательными
веществами

151. Часть 2

Разнообразие экосистем
151

152. Разнообразие экосистем

Экосистемы
Природные
Водные
Наземные
Морские
152
Антропогенные
Пресноводные

153. ПРИРОДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ

ПРИРОДНЫЕ
• ЭКОСИСТЕМЫ
1. Наземные экосистемы
Формируются в зависимости от климата (режима
осадков), который определяет тип растительности.
Биом — это макросистема, совокупность экосистем,
тесно связанных климатическими условиями, потоками
энергии, круговоротом веществ, миграцией организмов
и типом растительности
Пустынные
Травянистые (степи, саванны)
Лесные (тропический лес, тайга и др.)
153

154. Наземные экосистемы

• Пустыни - испарение менее 250 мм в год, но при этом
превышает количество осадков. Наблюдаются контрасты
между дневными и ночными температурами
154

155. Наземные экосистемы

• Травянистые экосистемы – в регионах с чередованием
влажных
и
засушливых
периодов.
Засухи
и
пожары препятствуют развитию древесной растительности
(степи, саванны)
(Фото http://oopt.info)
155

156. Наземные экосистемы

• Леса – произрастают в различных климатических зонах
со средним и высоким количеством осадков
(Фото ru.wikipedia org)
156

157. Наземные экосистемы

Наземные
Состав растительности
зависит от географической широты
экосистемы
местности и от высоты над уровнем моря
157

158.

2. Водные экосистемы
формируются в зависимости от:
Солености воды (морские, солоноватоводные,
пресноводные)
гидродинамических условий
глубины водоема
глубины проникновения солнечных лучей
количества растворенного кислорода
доступности питательных элементов
158

159. Отличия водных экосистем от наземных

Отличия водных
экосистем от
Водныеназемных
экосистемы в меньшей степени зависят от
климата по сравнению с наземными
Водная среда отличается большой термостабильностью,
отсутствуют резкие перепады температур
Вода более плотная среда по сравнению с воздухом,
поэтому водная толща населена организмами
Возможно существование прикрепленных животных, так
как вода переносит пищу и половые клетки
Свет может являться лимитирующим фактором
Может возникать недостаток кислорода (на суше
содержание кислорода постоянно)
159

160.

Весной и осенью в водоемах наблюдается конвективное перемешивание.
Летом и зимой устанавливается термическая стратификация.
Зима.
Обратная
стратифика
ция
Весна. Верхние
слои прогреваются
до ≈ 4С, и
погружаются,
вытесняя нижние
слои наверх.
Лето.
Термическая
стратификация
Осень. Верхний
слой охлаждается
и погружается
вниз. Циркуляция
продолжается до
выравнивания
температуры до
≈4С.
http://www.conservetorch.org/temperature

161. Водные экосистемы

• В зависимости
от освещенности в водоемах выделяют 3 зоны:
эвфотическая – освещенность достаточна для протекания
фотосинтеза. Здесь отмечается наибольшее содержание
кислорода
дисфотическая - сумеречная
афотическая – свет отсутствует

162.

Планктон
Бентос
Биоценоз водных экосистем
162
Нектон

163.

Фитопланктон
Зоопланктон

164. Морские экосистемы

Морские
Морские
экосистемы формируются в зависимости от глубины
экосистемы
164

165. Морские экосистемы

• Литораль (до глубины 600 м) – занимает 8% площади дна,
производится 80% биомассы океана – самая продуктивная зона
Мирового океана
• Батиаль (до глубин 2-3 тыс.м) – 15% площади, 10% биомассы
• Абиссаль (до глубин 6-7 тыс.м) – 75% площади, 10% биомассы
• Ультраабиссаль (до 11 тыс. м) – 2% площади
165

166. Пресноводные экосистемы

• Пресноводные
экосистемы – формируются в зависимости от
подвижности воды
• Лотические (текучие воды, водотоки) - реки, ручьи
• Определяющим фактором формирования биоценоза является
скорость течения воды
166

167. Пресноводные экосистемы

Лентические (стоячие воды, водоемы) – озера, пруды,
водохранилища
Обычно более продуктивны, чем водотоки; подвержены
эвтрофированию
167

168. АНТРОПОГЕННЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ

АНТРОПОГЕННЫ
Е
ЭКОСИСТЕМЫ
• Аллогенные сукцессии, вызванные человеком приводят к
упрощению экосистем – природные экосистемы заменяются
антропогенными
• Город
Гетеротрофная экосистема, использующая энергию топлива
Продуценты (зеленые насаждения) выполняют в основном
эстетическую и рекреационную функцию
Обедненный видовой состав (синантропные виды,
рудеральная флора)
Отсутствуют круговороты веществ
Является основным источником загрязнения окружающей
среды
168

169.

169

170.

http://techno.bigmir.net/discovery/
170

171. Антропогенные экосистемы

• Агроэкосистема
автотрофная экосистема, использующая дополнительные
источники энергии для повышения продуктивности
низкое видовое разнообразие (иногда монокультура), высокая
плотность популяции
организмы подвергаются искусственному отбору
природные механизмы регуляции не работают: расселение
сорняков, насекомых-вредителей
сельское хозяйство основано на намеренном удержании
экосистем на ранних стадиях сукцессий
171

172.

Рисовые поля
https://travelask.ru/blog/posts/
172

173.

Сельскохозяйственные поля (Англия)
173
https://www.semiestrel.ru/angliyskie-derevni/

174. Сравнение функций природных и антропогенных экосистем

функций
природных и
антропогенных
экосистем
Природные экосистемы
(лес, луг, водоем)
Антропогенные экосистемы (город,
агроэкосистема)
Преобразуют и накапливают солнечную
энергию
Потребляют энергию топлива
Потребляют углекислый газ, выделяют
кислород
Потребляют кислород, выделяют
углекислый газ при сжигании топлива
Формируют плодородную почву
Истощают плодородные земли
Накапливают и очищают пресную воду
Расходуют и загрязняют пресную воду
Создают местообитания различным
видам организмам
Разрушают местообитания , снижают
видовое разнообразие
Способны к самоочищению
Переработка отходов требует
материальных затрат
Стабильные,
самовосстанавливающиеся
Поддержание стабильности требует
материальных и энергетических затрат
174

175.

Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
кафедра водопользования и экологии
Автор
Макарова Светлана Витальевна
[email protected]

176.

Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
кафедра водопользования и экологии
ЭКОЛОГИЯ
Лекция 5
Энергия в экосистемах
Макарова Светлана Витальевна
к.б.н., доцент

177.

Часть 1
Законы термодинамики
в экосистемах
177

178. Законы термодинамики в экосистемах

• Энергия (гр. energeia - деятельность) - одно из
основных свойств
материи - способность производить работу
• Различают потенциальную и кинетическую
энергию
• Единственным первоисточником энергии,
обеспечивающим жизнь на Земле, является
Солнце
Около 90% энергии, идущей на нагревание Земли
и зданий, - это не энергия топлива, а бесплатная и
фактически неисчерпаемая прямая
солнечная энергия
178

179. Законы термодинамики в экосистемах

Законы
термодинамики в
• Солнечный свет падает на планету с
экосистемах
интенсивностью
2 кал/кв.см•мин (солнечная постоянная)
• В ясный летний день до поверхности Земли
доходит
не более 67%, т. е. 1,34 кал / кв.см•мин
отражается - 30%
превращается в теплоту - 46%
расходуется на испарение воды -23%
преобразуется в энергию ветра, волн, течений 0,2%
179

180. Законы термодинамики в экосистемах

Законы
термодинамики в
• Первый
закон термодинамики - закон
экосистемах
сохранения энергии - гласит: энергия не создается
и не исчезает, она превращается из одной формы в
другую
• Второй закон термодинамики утверждает:
при любых превращениях большая часть энергии
переходит в форму, наименее пригодную для
использования и наиболее легко рассеивающуюся
• Превращение энергии Солнца в энергию пищи путем
фотосинтеза, происходящего в зеленом листе,
иллюстрирует действие двух законов термодинамики,
которые справедливы для любых экосистем
180

181. Законы термодинамики в экосистемах

1-й закон: QСОЛН = qРАСС + qКОНЦ
2-й закон: qКОНЦ < Qрасс
181

182. Законы термодинамики в экосистемах

Агроэкосистема:
1-й закон: Q СОЛН + qД+ qП.В + qЧ = qТ + qП
2-й закон: qП < Q СОЛН + qД+ qП.В + qЧ
182

183. Законы термодинамики в экосистемах

Законы
термодинамики в
• При
всех энергетических процессах, в том числе и
экосистемах
технологических, происходит переход системы от
более высокого уровня организации («порядка») к
более низкому («беспорядку»)
• Энтропия является физической мерой
беспорядка, т.е. мерой количества связанной
энергии которая становится недоступной для
использования
• Высокоупорядоченные системы обладают низкой
энтропией, а неупорядоченные, в которых
вещество или энергия рассеяны, характеризуются
высокой энтропией
183

184. Законы термодинамики в экосистемах

184

185. Законы термодинамики в экосистемах

Законы
термодинамики в
• В процессе
любого превращения энергии из одного
экосистемах
вида в другой всегда происходят потери полезной
энергии, которая переходит в бесполезную,
рассеивающуюся в виде низкотемпературного
тепла и не способную выполнять работу
Второй закон термодинамики подразумевает
также, что практически невозможно восстановить
или повторно использовать высококачественную
энергию для выполнения полезной
работы. Поэтому второй закон называют законом
возрастания (неубывания) энтропии
185

186. Преобразование энергии в живой материи

Преобразование энергии в
материи
• живой
Энергетические
процессы в живой материи имеют
свои особенности и, на первый взгляд, не
согласуются с теорией классической
термодинамики
• Живая материя организуется в упорядоченные
структуры как бы вопреки утверждению
второго закона термодинамики
• «Законы развития живой и косной материи
описываются двумя противоположными
теориями - это классическая
термодинамика и эволюционное учение
Дарвина» (К.М. Петров)
186

187. Преобразование энергии в живой материи

• Согласно теории классической термодинамики
система устойчива при максимальной энтропии
• Однако, биосистемы разного уровня организации
являются упорядоченными (низкоэнтропийными),
но в то же время, устойчивыми
• Живая материя отличается от неживой,
прежде всего, способностью
аккумулировать из окружающего
пространства свободную энергию,
концентрировать ее и качественно
преобразовывать чтобы противостоять
росту энтропии внутри себя
187

188. Преобразование энергии в живой материи

Преобразование
энергии в живой
• Дыхание
выполняет функции снижения
материи
энтропии и поддержания упорядоченности в
биосистемах. Без дыхания энтропия любой
биосистемы растет, и она в конце концов погибает
• Экосистемы с энергетической точки зрения
представляют собой открытые неравновесные
термодинамические системы, постоянно
обменивающиеся с окружающей средой энергией и
веществом, уменьшая тем самым энтропию внутри
себя, но увеличивая ее вовне
• Такие системы называются «диссипативными
системами»
188

189. Преобразование энергии в живой материи

А – автотрофы, Г-гетеротрофы, З – запасы питательных веществ
189

190. Качество энергии

• Порядок, создаваемый энергетическими
потоками в экосистемах, связан с изменением
качества аккумулированной живыми
организмами энергии
• Качество энергии - ее способность
совершать работу
• Эксергия - это максимальная работа, которую
совершает термодинамическая система при
переходе из данного состояния в состояние
физического равновесия с окружающей средой
• Эксергия - полезная доля энергии,
участвующей в каком-либо процессе
190

191. Качество энергии

• Энергия высокого качества характеризуется
высокой эксергией, большой степенью
упорядоченности или концентрации и обладает
низкой энтропией
• Примеры: электричество, уголь, нефть, газ, бензин, ядра
урана-235, высокотемпературное тепло
• Энергия низкого качества характеризуется
низкой эксергией и концентрацией,
неупорядоченностью и высокой энтропией
• Примеры: низкотемпературное тепло, находящееся в
окружающей среде, рассеянная солнечная энергия
191

192. Качество энергии

Цепь генерации электричества (по Ю.Одуму, 1986)
192

193. Качество энергии

Затраты энергии на получение 1 ккал условного топлива
Затраты энергии на
получение 1 ккал
условного топлива,
ккал
Эквивалент
условного
топлива на
1 ккал
Рассеянная тепловая
энергия
10 000
0.0001
Солнечная энергия
2000
0.0005
Биомасса растений
20
0.05
Древесина
2
0.5
Каменный уголь, нефть
1
1
Электроэнергия
0.25
4
Источник энергии
193

194. Качество энергии

• Для создания энергии более высокого качества
необходимы затраты энергии более низкого
качества
• Поток солнечной энергии, вовлекаемый в цепь
превращений в экосистемах, образует порядок и
повышает эксергию преобразованной части
энергии
В природе показателем качества энергии
может служить количество калорий
солнечного света, которое должно
рассеяться, чтобы образовалась 1 калория
более высококачественной формы энергии
194

195.

Часть 2
Трофические (пищевые)
цепи
195

196. Трофические цепи

• Перенос энергии пищи в процессе питания от ее
источника через последовательный ряд живых
организмов называется пищевой, или
трофической цепью
• Трофические цепи — это путь
однонаправленного потока солнечной энергии,
поглощенной в процессе фотосинтеза, через живые
организмы экосистемы в окружающую среду, где
неиспользованная часть ее рассеивается в виде
низкотемпературной тепловой энергии
196

197. Трофические цепи

• Трофические цепи делятся на два основных типа:
пастбищные и детритные (лат. detrytys —
продукт распада).
• Пастбищная цепь – от зеленых растений к
консументам (растительноядным животным и
хищникам)
• Детритная цепь начинается с мертвого
органического вещества — детрита, который
разрушается детритофагами, или сапротрофами и
заканчивается работой редуцентов
• Пищевые цепи в экосистеме тесно переплетаются
друг с другом, образуя трофические сети
197

198. Пищевая сеть

198

199. Трофические цепи

• Трофический уровень – группа организмов,
получающих энергию Солнца через
одинаковое число звеньев пищевой цепи
• Валовая первичная продукция – органическое
вещество, созданное в единицу времени
продуцентами (без учета затрат на дыхание)
• Чистая первичная продукция – органическое
вещество, накопленное продуцентами после
вычета затрат на дыхание (прирост биомассы)
• Вторичная продукция – органическое вещество,
накопленное консументами
199

200.

Принцип организации пищевой сети
200

201. Трофические цепи

Пояснения к схеме пищевой сети:
ПВ — валовая первичная продукция;
П1 — чистая первичная продукция;
П2, П3 — вторичная продукция;
А1 — поглощенный растениями солнечный свет;
А2 и А3 — корм, ассимилированный первичными и
вторичными консументами;
Д1, Д2, Д3 — траты энергии на дыхание;
Н1, Н2, Н3 — неиспользованная часть корма;
Э1, Э2 — экскременты;
ДФ — детритофаги;
Р — редуценты
201

202. Трофические цепи

• Схема показывает, что количество энергии в
пищевой цепи, выраженное количеством
образованной продукции, на каждом трофическом
уровне уменьшается: П1 > П2 > П3 и т. д.
• На первом трофическом уровне в энергию пищи
превращается лишь около 1% солнечного света.
Вторичная продукция на каждом последующем
трофическом уровне консументов составляет
около 10% от предыдущей
• Эта закономерность носит название закона
Линдемана (1942), или «правила 10%».
202

203. Трофические цепи

• В пищевых цепях наблюдается не более пятишести трофических уровней, так как на каждом
последующем уровне количество
аккумулированной энергии резко падает
• Затраты на дыхание обычно больше
энергетических затрат на увеличение массы
организма
• Чем крупнее организм, тем больше
энергетические затраты на поддержание биомассы
203

204. Трофические цепи

Годовой бюджет энергии в популяции крапивника, ккал / м2 год
204

205. Качество энергии в пищевых цепях повышается!

Качество энергии
в пищевых цепях
В природе показателем качества энергии может служить
количество
калорий солнечного света, которое должно
повышается!
рассеяться, чтобы образовалась 1 калория более
высококачественной формы энергии
Изменение энергии в пищевой цепи (по Ю.Одуму, 1986)
205

206.

Изменение энергии в экосистемах (а меняется от 1 до 9)
206

207. Экологические пирамиды

• Экологические пирамиды отражают законы
распределения количества энергии в пищевых
цепях: показывают, что на каждом предыдущем
трофическом уровне количество
энергии, аккумулированной в единицу времени,
больше, чем на последующем
• Пирамиды графически изображаются в виде
поставленных друг на друга прямоугольников
равной высоты, длина которых соответствует
масштабам продукции на соответствующих
трофических уровнях
• Закономерность справедлива для энергии,
числен-ности и биомассы организмов
207

208. Пирамида чисел

Первоначально экологическая пирамида была построена
Ч.Элтоном (1927) как пирамида чисел .
Пирамида чисел не всегда имеет правильный вид
208

209. Пирамиды биомасс

• Пирамида биомасс также может быть перевернутой (в
водных экосистемах )
209

210. Пирамиды энергии

Пирамида энергии
всегда имеет классический вид (в
соответствии со вторым законом термодинамики)
210

211. Влияние человека

• Миграция загрязняющих веществ по
пищевой цепи
тяжелые металлы Hg, Cd, Ni, Pb и др.,
долгоживущие радиоактивные изотопы
• хлорорганические соединения
Масса
Консументы 3 1
Консументы 2 10
Консументы 1 100
Продуценты 1000
1000
100
10
1
Накопление

212.

Часть 3
Энергетические типы
экосистем
212

213. Энергетические типы экосистем

• Природные экосистемы, движимые
Солнцем, малосубсидируемые —— используют
энергию Солнца, низкопродуктивные.
Потребление энергии - 103–104 ккал/м2•год
(открытые районы океанов, высокогорные леса и
т.д.)
• Природные экосистемы, движимые
Солнцем и субсидируемые другими
естественными источниками — энергией
приливов, прибоя, течений, дополнительных
питательных веществ, благоприятными
климатическими условиями;
высокопродуктивные. Потребление энергии - 104 105 ккал/м2•год (эстуарии, влажные тропические 213

214. Энергетические типы экосистем

• Экосистемы, движимые Солнцем и
субсидируемые человеком — используют
энергию Солнца, мышечную энергию человека и
животных, энергию топлива;
высокопродуктивные. Потребление энергии -104105 ккал/м2•год (наземные и водные
агроэкосистемы)
• Индустриально-городские экосистемы,
движимые топливом – используют энергию
топлива. Потребление энергии - 106 ккал/м2•год
• В своем развитии человеческое общество прошло
через все четыре типа экосистем
214

215.

Часть 4
Использование энергии
человеком
215

216. Использование энергии

• Три четверти энергии, потребляемой в
современном мире, в дополнение к первичной
солнечной энергии, поступает от сжигания
невозобновляемого ископаемого топлива: нефти,
угля, природного газа – это самый дешевый и
эффективный способ получения энергии
• При современных темпах энергопотребления их
доступных запасов хватит, по разным оценкам, на
200-300 лет. В том числе:
нефти – на 40-80 лет,
газа – на 50-100 лет,
угля – на 300-400 лет
216

217. Использование энергии

• Использование альтернативных источников
энергии (солнечной, ветровой, геотермальной и
т.д.) ограничивается дороговизной технологий и
низким выходом полезной энергии
• На добычу и преобразование энергии из разных
источников тоже требуется энергия. Поэтому
практический коэффициент полезного действия
зависит от величины полученной чистой энергии
• Чистая энергия - это полезная энергия на
выходе из системы после вычета всех энергозатрат
на ее добычу и преобразование
217

218. Использование энергии

ЭЧИСТ = ЭИСТ – ЭШ (ЭШ - энергетический штраф)
• Для
того
чтобы
источник
функционировал,
выход чистой энергии должен как минимум в 2 раза
превышать штраф: ЭЧИСТ > 2ЭШ.
218

219. Использование энергии

• Эффективность
использования энергии
определяется соотношением полезной работы и
величины всех энергетических затрат при ее
выполнении
• Чем больше отношение количества полезной работы
ко всему количеству энергии, затраченной на ее
производство, тем выше эффективность
использования энергии
• Показателем энергоэффективности является
отношение количества полезной энергии на выходе
системы ко всей полезной энергии на входе
• Энергоэффективность зависит также от соответствия
качества энергии качеству выполняемой работы
219

220.

Энергоэффективность обогрева
дома за счет солнечной энергии и за
счет электроэнергии АЭС
(по Т.Миллеру с изменениями)
220

221.

Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
кафедра водопользования и экологии
Автор
Макарова Светлана Витальевна
[email protected]

222.

Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
кафедра водопользования и экологии
ЭКОЛОГИЯ
Лекция 6
Экологические факторы
Макарова Светлана Витальевна
к.б.н., доцент

223.

Часть 1
Классификация
экологических факторов
223

224. Экологические факторы

• Среда обитания - все природное окружение
живых организмов, состоящее из множества
абиотических и биотических компонентов,
включая привносимые человеком (антропогенные)
• Важные для жизни организма компоненты
окружающей среды называются экологическими
факторами
• Условия существования — это совокупность
экологических факторов, обусловливающих рост,
развитие, выживание и воспроизводство
организмов
224

225.

Экологические факторы
Абиотические
Биотические
Антагонистические
Антропогенные
Неантагонистические
Классификация экологических факторов
225

226. Абиотические факторы

I. Абиотические
факторы - совокупность важных
для организмов свойств неживой природы:
Химические (состав атмосферы, воды, почвы)
Физические (температура, давление,
влажность, течения)
Климатические — солнечный свет,
температура, влажность
Географические — продолжительность дня и
ночи, рельеф местности
Гидрологические — течение, волнение, состав и
свойства вод
Эдафические — состав, структура и свойства
почв
226

227. Абиотические факторы

1. Солнечная
энергия
Основной источник энергии на Земле,
климатообра-зующий фактор
Видимая часть спектра (390 – 760 нм) –
обеспечивает фотосинтез, ориентацию
животных в пространстве, фотопериодизм
Ультрафиолетовое излучение (в диапазоне 200400 нм) – обладает бактерицидными свойствами,
способствуют синтезу витамина D
Инфракрасное излучение – оказывает тепловое
воздействие
227

228. Фотопериодизм у животных

• Фотопериодические реакции – «биологические
часы», используемые для инициации различных
программ жизнедеятельности организмов,
обусловленные сезонной динамикой поступления
энергии солнца
• Зарегистрирован у растений и животных
• У животных эти реакции контролируют:
сроки брачного периода
плодовитость,
осенние и весенние линьки,
переход к зимней спячке,
миграции и др.

229. Абиотические факторы

• 2. Температура
• Для большинства организмов существование
возможно в диапазоне температур от –60 °С до
+60 °С
• Пойкилотермные организмы – температура
тела зависит от окружающей среды
• Гомойотермные – теплокровные (птицы,
млекопитающие)
• От температуры зависит скорость протекания
химических реакций
229

230. Абиотические факторы

Абиотические
• 3. Водафакторы
• Основное вещество живых организмов, первая
среда жизни, среда обитания, растворитель
питательных веществ, среда протекания
химических реакций, терморегулятор и т.д.
• 4. Концентрация кислорода
• Кислород обеспечивает процессы аэробного
дыхания
• Из кислорода формируется озоновый слой Земли
• Содержание в атмосферном воздухе постоянно, в
водной среде может являться лимитирующим
фактором
• По отношению к кислороду организмы делятся на
аэробов и анаэробов
230

231. Биотические факторы

• II. Биотические факторы • совокупность воздействий жизнедеятельности
одних организмов на другие
Антагонистические – это такие отношения,
при которых организмы двух видов подавляют
друг друга (– –) или один из них подавляет
другой без ущерба для себя (+–): хищничество,
паразитизм и конкуренция
Неантагонистические взаимоотношения
можно выразить многими комбинациями:
нейтральные (00), взаимовыгодные (++),
односторонние (0+): симбиоз, мутуализм и
комменсализм
231

232. Биотические факторы

1. Антагонистические
взаимоотношения
• 1.1. Хищничество форма взаимоотношен
ий организмов разных
трофических
уровней, при которой
один вид организмов —
хищник живет за
счет другого — жертвы,
поедая его (+ –)
232

233.

Росянка
233
(фото: newsinphoto.ru)
Венерина мухоловка
(фото:zoo-flo.com)

234.

Непентес
234

235. Биотические факторы

• 1.2. Паразитизм
(греч. parasitos —
тунеядец) –
межвидовые взаимоотношения, при которых один вид живет за
счет другого (+ –),
поселяясь внутри
(эндопаразиты) или на
поверхности тела
организма хозяина
(экзопаразиты)
235

236.

Гнездовой паразитизм кукушки
236
(фото: birds-altay.ru)

237.

Повилика
237
(фото:ru.wikipedia.org)
Раффлезия (фото: http://udivitelno.com/)

238.

Подъельник обыкновенный
238

239. Биотические факторы

• 1.3. Конкуренция
(лат. сoncurrentia — соперничество)
–
форма взаимоотношений,
при которых организмы
одного
трофического уровня
борются за дефицитные
ресурсы: пищу, свет,
пространство, местаукрытия и другие
условия существования,
подавляя друг друга (--)
• Межвидовая и
239
внутривидовая

240.

Межвидовая конкуренция
(фото © Mitchell Krog)
240

241.

Внутривидовая конкуренция
(фото: bolshoyvopros.ru)
241

242. Биотические факторы

• 2. Неантагонистические
взаимоотношения
• 2.1. Симбиоз (гр. symbiosis —
сожительство) — это
обоюдовыгодные, но не
обязательные взаимоотношения разных видов
организмов (+ +)
242

243.

Муравьи и тля (ru.wikipedia.org)
243
Амфиприон и актиния (www.animalsglobe.ru)

244. Биотические факторы

• 2.2. Мутуализм
(лат. mutuus — взаимный) —
взаимовыгодные и
обязательные для роста и
выживания отношения
организмов разных видов
• (+ +)
244

245.

Опыление орхидеи рода Офрис (фото: www.odditycentral.com)
245

246. Биотические факторы

Лишайник (мутуализм гриба и водоросли)
246

247. Биотические факторы

• 2.3. Комменсализм
(лат.commensalis —
сотрапезник) –
отношения, при
которых один из
партнеров
• извлекает выгоду, а
другому они
безразличны (+0)
247

248. Биотические факторы

Рыба-прилипала на панцире черепахи (www.animalsglobe.ru)
248

249. Экологическая ниша

• Экологическая ниша
249
это совокупность
территориальных и
функциональных
характеристик среды
обитания,
соответствующих
требованиям данного
вида

250. Экологическая ниша

• В зависимости от источников питания организмов,
размеров территории, температуры и других
физико-химических факторов экологические ниши
делят на специализированные и общие
• Специализированные экологические ниши
занимают растения и животные, которые могут
существовать лишь в узком диапазоне
экологических факторов
• Общие экологические ниши занимают
организмы, которые легко приспосабливаются к
изменениям условий
250

251. Экологическая ниша

Правило Гаузе
(1934): Два вида, обитающие на
одной и той же территории, не могут иметь
совершенно одинаковую экологическую нишу
Конкуренция между родственными видами инфузорий
(опыты Г. Ф. Гаузе)
251

252. Антропогенные факторы

• III. Антропогенные
факторы –
• это совокупность различных воздействий человека
на неживую и живую природу; могут
рассматриваться как антагонистические
В процессе дыхания люди они
ежегодно выделяют в атмосферу 1•1012 кг СО2, а с
пищей потребляют свыше 6•1015 ккал
Производственная деятельность людей приводит
к изменению рельефа, загрязнению среды
обитания, перераспределению пресной воды,
исчезновению природных экосистем и т.д.
• Воздействие человека может быть прямым и
косвенным
252

253.

Антропогенные факторы: загрязнение среды, уничтожение
природных экосистем
253

254.

Часть 2
Экологическая пластичность
254

255. Зависимость жизнедеятельности организма от количественного значения фактора

Зависимость
жизнедеятельност
и организма от
количественного
• Эффект влияния факторов зависит не только от
значения
фактора
характера их действия
(качества), но и от
количественного значения, воспринимаемого
организмами
• Зависимость жизнедеятельности организма от
количественного значения экологического
фактора в общем виде выглядит следующим
образом:
255

256. Зависимость жизнедеятельности от количественного значения экологического фактора

и от
количественного
значения
экологического
фактора
256

257. Экологическая пластичность

Зависимость вылета насекомых от влажности почвы
257

258. Экологическая пластичность

• Способность организмов существовать в
определенном количественном диапазоне
экологического фактора называется
экологической пластичностью
Стенобионтные организмы (греч. stenos — узкий,
тесный), или узкоприспособленные виды способны
существовать лишь при небольших отклонениях
фактора от оптимального значения, имеют
ограниченный ареал
Эврибионтные организмы (греч. eurys — широкий) широкоприспособленные, выдерживающие
большую амплитуду колебаний экологического
фактора, широко распространены
258

259. Экологическая пластичность

Экологическая пластичность некоторых рыб
Карась и камбала – стеногалинные, колюшка – эвригалинный вид
259

260.

Часть 3
Лимитирующие
экологические факторы
260

261. Лимитирующие факторы

• При отклонении экологического фактора от
оптимальных значений, жизнедеятельность
организмов переходит в зону угнетения
• Лимитирующими являются те факторы,
которые ограничивают (лимитируют)
жизнедеятельность организмов
• Лимитирующие факторы – значения которых
стремятся к экологическому минимуму или
максимуму
• Представление о лимитирующих факторах
базируется на двух законах экологии: законе
минимума и законе толерантности
261

262. Лимитирующие факторы

Лимитирующие
факторы
Лимитирующие
факторы
Пределы толерантности
262

263. Лимитирующие факторы

• Закон минимума Ю.Либиха (1840):
• рост и развитие организмов зависят, в первую
очередь, от тех факторов природной среды,
значение которых приближается к экологическому
минимуму
• Закон минимума имеет два ограничения:
закон строго применим лишь в условиях
стационарного состояния системы
при взаимодействии нескольких факторов.
Иногда организм способен заменить дефицитный
элемент другим, химически близким (например,
кальций может замещаться стронцием)
263

264. Лимитирующие факторы

• Закон толерантности В. Шелфорда (1913):
• рост и развитие организмов зависят, в первую
очередь, от тех факторов среды, значения которых
приближаются к экологическому минимуму или
экологическому максимуму
• Диапазон экологического фактора между
минимумом и максимумом называются пределом
толерантности
• Предел толерантности описывает амплитуду
колебаний факторов, которая обеспечивает
существование популяции
264

265. Лимитирующие факторы

Пределы толерантности популяции
265

266. Лимитирующие факторы

• Было установлено следующее:
организмы с широким диапазоном толерантности
ко многим факторам широко распространены в
природе и часто бывают космополитами
организмы могут иметь широкий диапазон
толерантности в отношении одного фактора и
узкий диапазон относительно другого
если условия по одному из экологических
факторов становятся неоптимальными, то может
измениться и предел толерантности по другим
факторам
266

267. Лимитирующие факторы

наблюдаемые в природе реальные пределы
толерантности меньше потенциальных
возможностей организма адаптироваться к
данному фактору
пределы толерантности у размножающихся
особей и потомства меньше, чем у взрослых особей
экстремальные (стрессовые) значения одного из
факторов ведут к снижению предела
толерантности по другим факторам
267

268.

Часть 4
Взаимодействие и
компенсация
экологических факторов
268

269. Взаимодействие экологических факторов

• В природе экологические факторы действуют не
независимо друг от друга — они взаимодействуют
• Совместное влияние факторов может усиливать
или ослаблять действие одного из них
• Например:
Взаимодействие температуры и влажности
формируют типы климата
Температура + влажность + ветер =
= «температура теплоощущения»
269

270. Взаимодействие экологических факторов

Негативное
влияние химических загрязнений
на живые организмы зависит не только от их
природы, концентраций, времени воздействия, но
и от результата совместного воздействия:
аддитивность ( ∑ = А+В ) – суммирование
эффекта
антагонизм ( ∑ < A+B ) – ослабление
эффекта при совместном воздействии
синергизм ( ∑ > А+В ) – усиление эффекта
при совместном воздействии
270

271. Компенсация экологических факторов

Компенсация
экологических
• Организмы
могут адаптироваться к условиям
факторов
существования и компенсируют отрицательное
воздействие экологических факторов
• 1. Морфологические адаптации - изменение
формы и пропорций тела, или отдельных его
частей.
• Правило Аллена (1877) – выступающие части тела
теплокровных животных уменьшаются при
продвижении с юга на север.
• Явление вытекает из принципа уменьшения
теплоотдачи при сокращении соотношения
площади поверхности и объема тела
271

272. Компенсация экологических факторов

Иллюстрация правила Аллена:
1-фенек, 2-европейская лисица, 3- песец
272

273.

273

274.

Морфологические адаптации организмов
274

275. Компенсация экологических факторов

Компенсация
экологических
• 2. Поведенческие
адаптации (адаптивное
факторов
поведение)- направлены на создание
благоприятных условий
• Возможны у животных с хорошо развитой
моторной активностью: перемена позы, активный
поиск благоприятных мест обитания, рытье нор,
сооружение гнезд и др.
• 3. Физиологические адаптации – изменение
функций в зависимости от условий
• Связь физиологических ритмов с суточной,
сезонной и другой динамикой факторов:
фотопериодизм, зимняя спячка и др.
275

276.

Поведенческие адаптации пингвинов
http://www.vokrugsveta.ru/article/325987/
276

277.

Физиологическая адаптация – спячка (суслик)
https://age-of-mammals.ucoz.ru/index/spjachka/0-741
277

278. Изменение физиологических характеристик организма в спячке

Вид
Изменение
физиологических
характеристик
организма в
спячке
Бодр.
Спячка
Бодр.
Спячка
Бодр.
Частота дыхания
мин.
Сердцебиение
в мин.
Температура тела, С
Спячка
Еж
40-50
6-8
-
-
34
2
Суслик
100
1-15
100-350
5-19
35-39
1-13
Сурок
20-25
3-5
100
10
36-38
5-8
278

279. Компенсация экологических факторов

Компенсация
экологических
Антропогенное воздействие часто становится
факторов
лимитирующим
фактором по отношению к
природным организмам (антропогенный стресс)
Экосистемы в определенных пределах способны
компенсировать воздействие (например, процессы
самоочищения в водоемах)
• Однако, компенсационные механизмы не
беспредельны
Адаптация организмов является результатом
длительного эволюционного развития
Человек изменяет среду обитания организмов
быстрее, чем они могут адаптироваться к новым
условиям, что ведет к деградации экосистем
279

280.

Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
кафедра водопользования и экологии
Автор
Макарова Светлана Витальевна
[email protected]

281.

Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
кафедра водопользования и экологии
ЭКОЛОГИЯ
Лекция 8
Глобальные процессы в
биосфере
Макарова Светлана Витальевна
к.б.н., доцент

282. Часть 1

Озоновые «дыры»
282

283. «Озоновые дыры»

• Озон - аллотропная форма кислорода (О3)
• Озоносфера практически не пропускает к
поверхности Земли солнечное излучение короче
290 нм, губительное для живых организмов
• Озон образуется в верхней стратосфере (40-50 км)
при фотохимических реакциях с участием
кислорода, азота, водорода и хлора
• В нижней стратосфере (10-25 км) главную роль в
сезонных и более длительных изменениях его
концентрации играют процессы переноса
воздушных масс
283

284.

Максимальные
концентрации
озона отмечаются
на высоте 10-25 км
(нижняя
стратосфера)
Средняя концентрация озона в
стратосфере
составляет около
0,00005 %
284

285.

• Озоновый слой
поглощает
коротковолновое
ультрафиолетовое
излучение (с длиной
волны менее 290
нм), опасное для
всего живого
285

286.

• Последствия воздействия
ультрафиолетового излучения на
организм человека (список ВОЗ):
Повышение вероятности возникновения
раковых заболеваний кожи (меланома,
карцинома)
Ожоги
Катаракта хрусталика глаза
Конъюнктивит
Ослабление иммунной системы
Рецидивы герпесной инфекции
286

287.

История проблемы
1974 г. – М.Молина и Ф.-Ш. Роланд
предположили, что долгоживущие
хлорфторуглероды (ХФУ), попадая в атмосферу,
могут разрушать стратосферный озон
1985 г. – опубликованы сведения о снижении
концентрации озона в районе Антарктиды в
весенний (для Южного полушария) период
начиная с 1982 г. [Farman et al., 1985]
1988 г. – НАСА опубликовало данные об
уменьшении озонового столба над
густонаселенными районами Северной Америки,
Европы, Китая и Японии на 3 %, а над странами
Скандинавии и Аляской - на 6 %
287

288.

1972
1981
1982
1983
1984
1985
http://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/

289.

Сентябрь 2000 г.
Сентябрь 2002 г.
Озоновая «дыра» различной формы над Антарктидой
( www.nasa.gov)
289

290. Гипотезы возникновения «озоновых дыр»

• 1. Химическая гипотеза разрушения озона
Оксиды азота (NO, N2O) - источники: полеты
сверхзвуковых самолетов, азотные удобрения,
ядерные взрывы
• N2O + О3 = 2NO + О2
Атомы галогенов (хлора, фтора и брома) источники: ХФУ (хлорфторуглероды), фреоны,
холоны, метилхлороформ, вулканические газы и
др.)
Cl + О3 = СlO + О2
• СlO + О = О2 + Cl
290

291.

291

292. Международные соглашения об охране озонового слоя

• 1985 г. - на совещании в Вене
была принята Венская
конвенция об охране
озонового слоя
• 1987 г. - в Монреале (Канада)
подписан Монреальский
протокол по веществам,
292

293. 2. Гипотеза естественного происхождения озоновой дыры над Антарктидой

На межгодовую динамику концентрации
озона в атмосфере могут влиять:
Крупномасштабные динамические процессы в
атмосфере
Долговременные циклы взаимодействия океана и
атмосферы
Изменение климата – потепление и рост
концентрации СО2 тормозят разрушение озона
Наблюдается сезонная динамика «дыр», что
указывает на природные причины их появления
293

294. Сезонная динамика озоновой «дыры» в Антарктиде

Июль 2019
Сентябрь 2019
Ноябрь 2019
https://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/monthly/
294

295. На сезонную динамику, по-видимому, воздействуют:

На сезонную
динамику, пообласть над
видимому, • изолирует
континентом
воздействуют:
Циркумполярный
вихрь • изолирует область
над Антарктидой от
проникновения
воздушных масс из
соседних регионов в
зимний период в
условиях полярной
ночи
295

296.

Полярные
стратосферные
облака,
• образующиеся в
зимний период (при
температу-ре ниже 73 С), содержат
соединения азота и
хлора, локально
разрушающие озон
при появлении
солнца в сентябре
(первый месяц
весны), что приводит
к появлению «дыры»
296
(Фото National Science Foundation | Kelly Speelman)

297.

Деятельность
вулкана Эребус
• (с 1972 г.) –
• суточный выброс
хлора составляет
около 90 т.
• Хлор
адсорбируется на
полярных стратосферных
облаках и
участвует в
фотохимических
реакциях
297 разрушения озона
(фото www.mountine.ru )

298.

Озоновая «дыра» в сентябре 2019 г была наименьшей
с начала 2000-х годов
298

299.

Согласно прогнозам, «дыра» над Антарктидой может
окончательно исчезнуть к 2065 г.
https://www.hakahakionline.com/en/11196/
299

300.

17 October 2020
Озоновая дыра 2020 года быстро росла с
середины августа и достигла пика в 24 млн.кв. км в
начале октября, что выше среднего показателя за
последнее десятилетие . Дыра распространилась
на большую часть Антарктического континента.
https://meteoinfo.ru/
300
https://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/

301. «Озоновая дыра» в Арктике (март-апрель 2020)

https://lenta.ru/news/2020/04/08/hole/
301

302.

• Таким образом,
В соответствии с современными представлениями
причина образования «озоновой дыры» над
Антарктидой является комплексной и связана,
главным образом с природными процессами, а не с
антропогенным загрязнением атмосферного воздуха
«Озоновая дыра» над Антарктидой должна
рассматриваться не как экологическая проблема, а
как природное явление
Фреоны антропогенного происхождения, повидимому, не являются основной причиной
истощения озонового слоя
Проблема «озоновых дыр» была сильно
политизирована, поскольку затрагивала
экономические интересы отдельных стран и
корпораций (как и проблема климатических
изменений)
302

303. Часть 2

Изменение климата.
Глобальное потепление
303

304. Климат Земли и его изменения

• Термин «климат» (от греч. klima – наклон
солнечных лучей к земной поверхности) ввел
древнегреческий астроном Гиппарх (190-150 гг.
до н.э.).
• Климат - многолетний режим погоды,
присущий данной местности.
• «Климат - статистический ансамбль
состояний, которые проходит
система океан — суша — атмосфера за
периоды времени в несколько десятилетий»
(А. С. Монин)
304

305. Климат Земли и его изменения

• Факторы,
определяющие климат:
Астрономические, факторы (внешние) светимость Солнца, положение и движение
планеты в Солнечной системе, наклон ее оси
вращения к плоскости орбиты и скорость
вращения
Геофизические и географические факторы –
подстилающая поверхность (океан, суша, леса,
льды и т.п) и ее свойства, которые определяют
динамическое и тепловое взаимодействие с
атмосферой, циркуляция атмосферы и океана
Атмосферные факторы - масса и состав
атмосферы
305

306. Климат Земли и его изменения

Климат Земли и
его 3изменения
Около
тыс. лет назад - происходило
потепление, известное как малый
климатический оптимум голоцена, когда
температура в Европе была на 1-2 градуса выше
современной
Первая четверть второго тысячелетия (ХIII в.) –
начало Малого ледникового периода. Минимум
температур был достигнут во второй половине
XVII в. (в среднем на 1 градус ниже современной)
Конец ХIХ в. - началось новое потепление,
которое продолжается в настоящее время
306

307.

Маршруты викингов
http://rsbtravel.com/article/
307

308. «Малый ледниковый период»

П.Брейгель Охотники на снегу (1565 г.)
308

309.

П.Брейгель «Зимний пейзаж»
309

310.

П.Брейгель "Перепись в Вифлееме", 1566 г.
310

311.

Х.Аверкамп. Сцена на льду у города (1610 г.)
311

312.

Х.Аверкамп «Зима в городе»
312

313.

Повышение температуры поверхности Земли с конца XIX века
https://data.giss.nasa.gov/gistemp/graphs_v4/
313

314. Современное изменение климата

Современное
изменение
• Информация о современных изменениях климата,
климата
представлена
в следующих докладах:
Пятый оценочный доклад Межправительственной
группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) от
31 марта 2014 года.
Шестой оценочный доклад в полном объеме должен
выйти в 2023 г.
Второй оценочный доклад Росгидромета «Об
изменениях климата и их последствиях на
территории Российской Федерации» (2014)
Доклады об особенностях климата на
территории Российской Федерации (Росгидромет)
и др.
314

315. Современное изменение климата

Современное
изменение
Глобальная
температура возросла в среднем на
климата
0,75С за период 1880-2019 гг. Замедление роста
температуры наблюдалось в период 1998-2012 гг.
Произошло уменьшение объема ледников,
сокращение площади морского льда в Арктике
Повышение уровня Мирового океана в среднем
составило 0,19 м (тепловое расширение)
Повысилась температура океана
Концентрации углекислого газа увеличились на 40
% с доиндустриального периода, выросло
содержание метана в атмосфере
315

316.

Средние глобальные температуры с 2010 по 2019 год по сравнению с
базовым средним показателем с 1951 по 1978 год.
https://data.giss.nasa.gov/gistemp/maps/index_v4.html
316

317.

А.
Б.
Аномалии среднегодовой температуры воздуха (с точностью до 0.1°С) в
Северном полушарии (А) и России (Б) в 1891-2019 гг.
(https://meteoinfo.ru/131/m131m.htm)
317

318.

Сокращение площади льда в Арктике в апреле с 1979 по 2019 г.
(National Snow and Ice Data Center)
318

319.

А
Б
А
Таяние ледников на Аляске
(А - август 1941 г., G.D. Hazard; Б - август 2004 г., B. F. Molnia , http://climate.nasa.gov/
319

320. Возможные причины изменения климата

Возможные
причины
изменения
• Общепринятой причиной климатических изменений
считается
антропогенная деятельность
климата
«Было установлено влияние человека на повышение температур
атмосферы и океана, изменение глобального гидрологического
цикла, уменьшение количества снега и льда, повышение
глобального среднего уровня моря и на некоторые
экстремальные климатические явления»
«Чрезвычайно вероятно, что влияние человека было основной
причиной потепления, наблюдаемого с середины ХХ века».
«Основной вклад в наблюдаемое повышение температуры на
территории России во второй половине XX в. — начале XXI в.
вносит влияние изменений концентрации парниковых
газов»
320

321.

Данные еженедельных измерений концентрации СО2
на станции Новый Порт
(Красным цветом изображен рассчитанный сезонный ход концентрации СО2)
321

322.

322

323. Возможные причины изменения климата

Возможные
причины
изменения
Главную
причину глобального потепления
многие видят в усилении «парникового
климата
эффекта»
атмосферы Земли в результате
антропогенных выбросов парниковых газов (СО2,
СН4)
Парниковый эффект – удержание части
инфракрасного (теплового) излучения у
поверхности Земли парниковыми газами (пары
воды, углекислый газ, метан)
• Это природное явление, благодаря которому, средняя
температура на Земле составляет около + 15 °С.
• В отсутствие парниковых газов в атмосфере средняя
температура составляла бы -20 °С, что исключило бы
появление наземных высших форм жизни
323

324.

Все парниковые газы имеют природное происхождение, 90% составляют
пары воды. Человек привносит лишь дополнительное количество CO2 и СН4
за счет сжигания топлива и другой хозяйственной деятельности.
324

325. Возможные причины изменения климата

Возможные
причины
изменения
Парниковый эффект открыл в 1824 г. Жан Батист
Жозеф Фурье,
французский математик и физик
климата
В 1860 г. английский физик Джон Тиндаль выяснил,
что СО2, как и водяной пар, экранирует большую часть
инфракрасного излучения Земли
В конце XIX в. шведский химик Сванте Аррениус
количественно оценил влияние изменения
концентрации атмосферного СО2 на температуру земной
поверхности
Регулярные наблюдения за концентрацией
углекислого газа в воздухе планеты были начаты в 1958
г. в обсерватории на вершине гавайского вулкана
Мауна-Лоа.
325

326. Международные соглашения по климату

Международные
соглашения по
Рамочная Конвенция об изменении климата
климату
(РКИК)
принята на Конференции по окружающей
среде в Рио-де-Жанейро (1992), в которой записано, что
участвующие страны «преисполнены решимости
защитить климатическую систему в интересах
нынешнего и будущего поколений»
Киотский протокол (1997 г.) — международное
соглашение, обязывавшее индустриальные страны
сократить или стабилизировать выбросы парниковых
газов в 2008-2012 годах на уровне 1990 г. Действие
протокола закончилось в 2020 г.
Согласно протоколу, государства или компании могли продавать
или приобретать квоты на выбросы парниковых газов.
Российские климатологи считали, что данное соглашение не
имело достаточного научного обоснования
326

327. Международные соглашения по климату

Международные
соглашения по
Парижское соглашение по климату – регулирует
климату
меры по
снижению содержания углекислого газа в
атмосфере с 2020 года. Соглашение было подготовлено
взамен Киотского протокола в ходе Конференции по
климату в Париже и принято 12 декабря 2015 года
• Заявленная цель Парижского соглашения - не допустить
превышения глобальной среднегодовой температуры на
планете к 2100 году более чем на 2°С от
доиндустриального уровня и сделать все возможное для
удержания потепления в пределах 1,5°С (в настоящее
время средняя температура на 0,75°С выше, чем
среднегодовые показатели в 1850-1900 годов).
Россия приняла (с рядом заявлений) Парижское соглашение 21
сентября 2019 года (Постановление Правительства РФ N 1228).
327

328. Возможные причины изменения климата

Возможные
причины
изменения
• Альтернативные
гипотезы климатических
изменений
климата
Гелиофизическая гипотеза. Повышение
температуры за счет увеличения солнечной
активности на протяжении ХХ в. - причина, а рост
концентраций парниковых газов – следствие
(эмиссия из океана, ускорение разложения
органических веществ)
Уменьшение солнечной активности, начавшееся в
2000-х гг., в будущем может привести к
похолоданию климата (ориентировочно в середине
ХХI века)
328

329.

329

330.

Атмосферный CO2, температура на поверхности Земли и
солнечная активность (количество солнечных пятен)
330

331. Положительные обратные связи

Положительные обратные
Чем выше
температура,
связи
тем больше парниковых
газов
Увеличение
содержания
парниковых
газов (Н2О,
СО2, СН4)
Рост
температуры
Чем больше парниковых
газов, тем выше
температура
331

332. Возможные причины изменения климата

Циркуляционная гипотеза – изменение общей
циркуляции атмосферы (что и наблюдается в
настоящее время)
На климат Земли влияют также:
вулканическая деятельность - выброс частиц и
газов меняет свойства атмосферы
вырубка лесов - способствует накоплению
углекислого газа в атмосфере и меняет свойства
подстилающей поверхности
332

333. Негативные последствия изменения климата (существующие и прогнозируемые)

Негативные последствия
изменения климата
(существующие
и видового
Изменение
природных экосистем, снижение
разнообразия (в первую очередь в Арктике)
прогнозируемые)
Усиление процессов опустынивания
Повышение уровня Мирового океана и затопление
прибрежных территорий
333

334.

Снижение рН вод
Мирового океана
(ацидификация)
• За последние 150 лет
среднее значение pH
понизилось на 0,1.
• Подкисление морской
воды ухудшает условия
существования
организмов, образующих
известковые раковины
(например у
моллюсков)
https://www.pmel.noaa.gov/co2/files/co2_time_series_03-08-2017.jpg

335.

Повышение частоты возникновения опасных природных
явлений: ураганов, наводнений, засух, лесных пожаров и
др.
Число опасных гидрометеорологических явлений на территории России,
нанесших значительный ущерб, 1996—2019 г.г.
(https://meteoinfo.ru)
335

336.

Последствия зимнего наводнения, Финский залив (январь 2015 г.)
336

337.

Распространение заболеваний, характерных для
тропических и субтропических районов, в более северные
районы
Заболеваемость лихорадкой Западного Нила в России
(Второй оценочный доклад Росгидромета «Об изменениях климата…», 2014)
337

338. Позитивные последствия изменения климата

Позитивные
последствия
изменения
Повышение
продуктивности экосистем
Улучшение условий земледелия, повышение
климата
продуктивности
сельскохозяйственных культур
Экономия энергетических ресурсов в странах с
холодным климатом, благодаря сокращению
длительности отопительного периода, и как
следствие, уменьшение антропогенной нагрузки
на окружающую среду
Повышение комфортности проживания в странах
с холодным климатом
Улучшение условий судоходства в арктических
морях
338

339.

• «Человек не настолько силен, чтобы мог
повлиять на климат. Это невозможно, это все
равно что утверждать, будто бы человек может
остановить землетрясения. Остановить
землетрясения также невозможно, как
изменить климат. Это природные явления,
которые имеют свои законы и причины, к
которым мы можем только адаптироваться, и с
которыми мы должны жить»
Умберто Креченти,
итальянский геолог, геофизик
339

340.

• «Древние… не
отрицают, что
некоторые
недостатки почвы и
воды еще можно
исправить искусством
и умом, но решительно
утверждают, что
климат никакой силой
ума и никакой
человеческой рукой в
надлежащей мере
исправить нельзя»
340
Леон Баттиста Альберти
«Десять книг о зодчестве» (XV в.)

341. Заключение

В течение последних десятилетий отмечаются
климатические изменения разной степени
интенсивности в зависимости от региона. Наиболее
выраженными они являются в Арктике
Основной причиной считается антропогенная эмиссия
парниковых газов, которые усиливают парниковый
эффект атмосферы Земли
Однако климат определяется многими факторами и
глобальными процессами, взаимосвязь между которыми
до конца не изучена. Поэтому объяснять климатические
изменения только антропогенной деятельностью не
вполне корректно
В настоящее время нет надежных прогнозов
изменения климата
341

342. Заключение

В настоящее время человечество, несмотря на
заявления, сделанные в международных соглашениях,
вероятнее всего, не может радикально повлиять на
глобальные климатические процессы, поэтому
необходимо учитывать возможные изменения и искать
пути адаптации к ним
Один из наиболее эффективных путей стабилизации
климата – не борьба с парниковыми газами (основное
количество которых поступает из естественных
источников), а сохранение и восстановление природных
экосистем (в первую очередь, лесов)
Проблема климатических изменений очень сильно
политизирована, что часто мешает объективно
оценивать ситуацию и принимать научно обоснованные
решения
342

343.

343

344.

Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
кафедра водопользования и экологии
Автор
Макарова Светлана Витальевна
[email protected]