МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧОРНОМОРСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ПЕТРА МОГИЛИ
Факультет економічних наук
Кафедра фінансів
Контрольна робота з дисципліни «Екологія»
Виконав студент 218 гр.
Перевірив виклпадач
Миколаїв 2011
План
Загальна характеристика біосфери.
Будова біосфери
Етапи еволюції біосфери
Екосистеми. Процеси, що відбуваються в середині екосистем. Харчові ланцюги. Екологічні піраміди.
Роль людського фактора в розвитку біосфери.
Список використаної літератури
1. Загальна характеристика біосфери
Біосфера є найбільш великою (глобальною) екосистемою Землі.
У буквальному перекладі термін “біосфера” означає сферу життя й у такому змісті він уперше був введений у науку в 1875 р. австрійським геологом і палеонтологом Едуардом Зюсом (1831 – 1914). Однак задовго до цього під іншими назвами, зокрема «простір життя», «картина природи», «живаючи оболонка Землі» і т.п., його зміст розглядався багатьма іншими натуралістами.
Спочатку під усіма цими термінами малася на увазі тільки сукупність живих організмів, що живуть на нашій планеті, хоча іноді і вказувався їхній зв'язок з географічними, геологічними і космічними процесами, але при цьому скоріше зверталася увага на залежність живої природи від сил і речовин неорганічної природи. Навіть автор самого терміна «біосфера» Э.Зюсс у своїй книзі «Лик Землі», опублікованої майже тридцять років після введення терміна (1909 р.), не зауважував зворотного впливу біосфери і визначав її як «сукупність організмів, обмежену в просторі і в часі й на поверхні Землі».
Першим з біологів, що ясно вказав на величезну роль живих організмів в утворенні земної кори, був Ж.Б.Ламарк (1744 – 1829). Він підкреслював, що всі речовини, що знаходяться на поверхні земної кулі й утворюючі його кору, сформувалися завдяки діяльності живих організмів.
Факти і положення про біосферу накопичувалися поступово в зв'язку з розвитком ботаніки, ґрунтознавства, географії рослин і інших переважно біологічних наук, а також геологічних дисциплін. Ті елементи знання, що стали необхідними для розуміння біосфери в цілому, виявилися зв'язаними з виникненням екології, науки, що вивчає взаємини організмів і навколишнього середовища. Біосфера є визначеною природною системою, а її існування в першу чергу виражається в круговороті енергії і речовин при участі живих організмів.
Дуже важливим для розуміння біосфери було встановлення німецьким фізіологом Пфефером (1845 – 1920) трьох способів харчування живих організмів:
автотрофне – побудова організму за рахунок використання речовин неорганічної природи;
гетеротрофне – будівля організму за рахунок використання низькомолекулярних органічних сполук;
міксотрофное — Змішаний тип побудови організму (автотрофне-гетеротрофних)
Біосфера (у сучасному розумінні) — своєрідна оболонка Землі, що містить всю сукупність живих організмів і ту частину речовини планети, що знаходиться в безперервному обміні з цими організмами.
Ідея про тісний взаємозв'язок між живою та неживою природою, про зворотний вплив живих організмів і їхніх систем на навколишні їх фізичні, хімічні та геологічні фактори усе наполегливіше проникала у свідомість вчених і знаходила реалізацію в їхніх конкретних дослідженнях. Цьому сприяли і зміни, що відбулися в загальному підході натуралістів до вивчення природи. Вони всі більше переконувалися в тім, що відособлене дослідження явищ і процесів природи з позицій окремих наукових дисциплін виявляється неадекватним. Тому на рубежі ХІХ — ХХ ст. у науку усе ширше проникають ідеї цілісного підходу до вивчення природи, що у наш час сформувалися в системний метод її вивчення.
Результати такого підходу негайно позначилися при дослідженні загальних проблем впливу біотичних, чи живих, факторів на абіотичні, чи фізичні, умови. Так, виявилося, наприклад, що склад морської води багато в чому визначається активністю морських організмів. Рослини, що живуть на піщаному грунті, значно змінюють її структуру. Живі організми контролюють навіть склад нашої атмосфери. Таким чином, біосферу не можна розглядати у відриві від неживої природи, від якої вона, з однієї сторони залежить, а з іншого — сама впливає на неї. Тому перед натуралістами виникає задача — конкретно досліджувати, яким чином і якою мірою жива речовина впливає на фізико-хімічні та геологічні процеси, що відбуваються на поверхні Землі й у земній корі. Тільки подібний підхід може дати ясне і глибоке представлення про концепцію біосфери. Таку задачу саме і поставив перед собою видатний російський учений Володимир Іванович Вернадський (1863 — 1945).
«Межі біосфери зумовлені, передусім, полем існування життя» (Вернадський В.І. «Біосфера»). Це «поле існування життя», особливо активного, за новітніми даними, обмежено в прямовисній межі, головним чином, висотою майже 6 км над рівнем моря, до якої зберігаються позитивні температури у атмосфері і можуть жити хлорофілоносні рослини-продуценти (6.2 км у Гімалаях).
Вище мешкають лише павуки, ногохвістки і деякі кліщі, які споживають зерна рослинної пилки, спори рослин, мікроорганізми та ін. органічні частки, що заносяться вітром. Ще вище живі організми потрапляють лише випадково.
Нижня межа існування активного життя традиційно обмежується дном океану та ізотермою 100° С в літосфері, розташованими відповідно на відмітках майже 11 км та, за даними надглибокого буріння на Кольському півострові, майже 6 км (фактично життя розповсюджено в літосфері до глибини 3-4 км). Таким чином, прямовисна потужність біосфери в океанічній області Землі досягає понад 17 км, а в суходольній – 12 км.
Біосфера включає в себе всі живі організми (живу речовину), біогенні, біокосні і косні речовини, таким чином є областю системної взаємодії живої і косної речовини на планеті. До біосфери відноситься і людське суспільство з його виробництвом.
Жива речовина – сукупність тіл живих організмів, що населяють Землю поза залежністю від їх систематичної належності. Загальна маса живої речовини оцінюється величиною 2,4*10 т (в сухій масі).
За різними оцінками, в наш час на Землі існує майже 2 млн. видів організмів, з них на частку рослин припадає майже 500 тис. видів, а на частку тварин – 1,5 млн. видів.
Маса рослин – фото синтетиків на Землі складає 2,4*10 т, а вторинних організмів (тваринних) – 0,023*10 т. Біомаса мікроорганізмів не оцінена належним чином, але припускається, що вона значно менше біомаси вищих організмів.
В.І.Вернадський неодноразово зазначав, що жива речовина невіддільна від біосфери, є її функцією і, одночасно, «однією з самих могутніх геохімічних сил нашої планети». Жива речовина являє собою нерозривну молекулярно-біохімічну єдність, системне ціле з характерними для кожної геологічної епохи рисами. Знищення багатьох видів живої речовини людиною може порушити цю єдність, що призведе до різкої зміни молекулярно-біохімічних властивостей живої речовини і можливості існування багатьох високоорганізованих видів, що процвітають, і в тому числі, надто певно, і самої людини. Звідси випливає важливість збереження видів і в цілому живої речовини сучасного геологічного періоду.
Біогенна речовина – речовина що утворювалася або перероблялася організмами (нафта, газ, руда та ін.).
Біокосна речовина – речовина, «що утворюється одночасно живими організмами і косними процесами» і є «закономірною структурою з живої і косної речовини» (наприклад, грунт).
Косна речовина – речовина, «що утворюється процесами, в яких жива речовина не бере участь». (Вернадський В.І. «Хімічна будова біосфери Землі і її оточення»). Наприклад, вивержені гірські породи.
2. Будова біосфери
Біосфера – область планети, в якій існує або коли-небудь існувало життя і яка постійно піддається або піддавалася дії живих організмів.
Біосфера є єдиним місцем існування людини та інших живих організмів.Вона неодмінно перетвориться на ноосферу, тобто сферу, де розум людини відіграватиме домінуючу роль у розвитку системи «людина — природа».
Біосфера охоплює нижню частину атмосфери, гідросферу і верхню частину літосфери.
• Атмосфера— найбільш легка оболонка Землі, яка межує з космічним простором; через атмосферу здійснюється обмін речовини й енергії з космосом.
Атмосфера має декілька шарів:
тропосфера — Нижній шар, що примикає до поверхні Землі (висота 9-17 км). У ньому близько 80% газового складу атмосфери і уся водяна пара;
стратосфера;
ноносфера — Там «жива речовина» відсутня.
Переважаючі елементи хімічного складу атмосфери: N2 (78%), O2 (21%), CO2 (0,03 %).
• Гідросфера — водна оболонка Землі. У наслідок високої рухливості вода проникає повсюдно в різні природні утворення, навіть найбільш чисті атмосферні води містять від 10 до 50 мгр/л розчинних речовин.
Переважаючі елементи хімічного складу гідросфери: Na +, Mg2 +, Ca2 +, Cl-, S, C. Концентрація того чи іншого елемента у воді ще нічого не говорить про те, наскільки він важливий для рослинних і тваринних організмів, що живуть у ній. У цьому відношенні ведуча роль належить N, P, Si, що засвоюються живими організмами. Головною особливістю океанічної води є те, що основні іони характеризуються постійним співвідношенням у всьому обсязі світового океану.
• Літосфера — зовнішня тверда оболонка Землі, що складається з осадових і магматичних порід. В даний час земною корою прийнято вважати верхній шар твердого тіла планети, розташований вище сейсмічної границі Мохоровичича. Поверхневий шар літосфери, в якому здійснюється взаємодія живої матерії з мінеральної (неорганічної), являє собою грунт. Залишки організмів після розкладання переходять у гумус (родючу частину грунту). Складовими частинами грунту служать мінерали, органічні речовини, живі організми, вода, гази.
Переважаючі елементи хімічного складу літосфери: O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K.
Провідну роль виконує кисень, на частку якого припадає половина маси земної кори і 92% її обсягу, однак кисень міцно пов'язаний з іншими елементами в головних породоутворюючих мінералах. Т.ч. в кількісному відношенні земна кора — це «Царство» кисню, хімічно зв'язаного у ході геологічного розвитку земної кори.
3. Етапи еволюції біосфери
Більшість авторів гіпотез про походження життя на Землі припускали, що протягом величезного проміжку часу наша планета була інертною і на її поверхні, в атмосфері і океані відбувався повільний абіогений синтез органічних сполук, який привів до утворення перших примітивних організмів. Встановилося майже традиційне уявленя про те, що на Землі відбувалася тривала хімічна еволюція, яка передувала біологічній і охоплювала інтервал часу не менше 1 млрд років.
Фосилізовані(скам’янілі) залишки організмів зустрічаються у відкладеннях останніх етапів геологічної історії, що охоплюють 570 млн. років.
Стародавня і найтриваліша частин геологічної історії названа криптозоєм (від грецької прихований), що охоплює проміжок часу – 570-4500 млн. років тому. Вона позначається як докембрій. Цей первинний етап геологічної історії біосфери прийнято поділяти на два послідовні періоди:
а) архейська ера тривалістю близько 1900 млн. років;
б) протерозойська ера тривалістю близько 2000 млн. років.
Геохронологічна школа становить інтерес в аспекті розгляду послідовності етапів розвитку біосфери, оскільки дає змогу датувати історію виникнення видів організмів. Так, архей – це час примітивних одноклітинних бактерій, протерозой – час різноманітних бактерій і водоростей. З початком палеозою пов’язують першу появу численних безхребетних, що мають мушлю. У палеозої з’явилися перші хребетні близько 450 млн. років тому (ордовицький період), перші комахи – 350 млн. років тому (девон), перші рептилії – 300 млн. років тому (кам’яновугільни період), перші хвойні – 220 млн. років тому(пермський період). З мезозоєм пов’язана поява перших динозаврів і перших ссавців (220 млн років тому в тріасі) і перших птахів і соснових дерев (160 млн років тому в юрському періоді).
Кисень в атмосфері.
У розвитку біосфери найважливішу роль відіграло поступове зростання концентрації кисню в атмосфері, яке створило умови для формування озонового шару в атмосфері, переходу на сушу життя, що зародилося в океані, і появі надалі вищих тварин. Первинна атмосфера була майже без кисню (0,1 % від сучасного рівня).Зміна складу атмосфери почалася приблизно 2 млрд років тому, коли з’явилися перші фотосинтезуючі організми.
Приблизно 1 млрд років тому кількість кисню становила 1% від сучасного рівня. У цю епоху важливою була роль фотосинтезуючої активності фітопланктону, з’явився озоновий шар, який затримує згубні для організмів ультрафіолетові промені, що сприяло подальшому розвитку органічного життя в поверхневому шарі води.
Близько 600 млн років тому почався важливий біосферний процес: заселення материків живими істотами – з’явилися нижчі автотрофні рослини, потім складніші види рослин, що супроводжувалося різким збільшенням вмісту в атмосфері (від 3% від сучасного рівня 700 млн років тому до 50% до початку крейдяного періоду 140млн років тому).
Основні етапи розвитку біосфери
Можна умовно виділити такі послідовні етапи еволюції біосфери: синтез простих органічних сполук, біогенез, антропогенез, техногенез і ноогенез.
Синтез простих органічних сполук(хімічна еволюція) в геосферах Землі здійснювався під дією ультрафіолетової радіації: метану, аміаку, водню, пари води. Початок етапу – 3,5 – 4,5 млрд років тому.
Біогенез — перетворення відсталої речовини геосфери Землі в живу речовину біосфери (утворення високомолекулярних органічних сполук з простих сполук під дією геофізичних чинників). Початок етапу – 2,5 – 3,5 млрд років тому (поява живої речовини біосфери).
Антропогенез– поява людини і перетворення її на соціальну істоту, формування суспільної організації людських співтовариств у процесі виробничої трудової діяльності. Початок етапу – 1,5 – 3 млрд років тому (поява людини).
Техногенез– перетворення природних комплексів біосфери в процесі виробничої діяльності людини і формування техногенних і природно-технічних комплексів, тобто техносфери, як складової біосфери. Початок етапу – 10 – 15 тис. років тому (поява міських поселень).
Ноогенез– процес перетворення біосфери в стан розумово керованої соціально-природної системи (ноосфери). Її можна схарактеризувати як стан біосфери, за якого здійснюється:
а) раціональне використання природи, тобто раціональне природокористування;
б) стійкий розвиток світової людської спільноти.
Слід зазначити, що важливий вплив на еволюцію біосфери справив дрейф континентів, у результаті якого еволюція різних груп організмів пішла різними шляхами. Згідно з теорією дрейфу континентів, висунутою Альфредом Вегенером у 20-х роках ХХ ст., сучасні континенти виникли з єдиного масиву суші, що одержав назву Пангея, який існував на нашій планеті ще в палеозої як острів у Світовому океані. Приблизно 200 – 250 млн. років тому наприкінці палеозою – на початку мезозою Пангея «розкололася» на два великі масиви суші, які стали «розходитися», що зумовило формування нових океанів. Індія і континенти, що знаходяться зараз у південній півкулі (Південна Америка, Африка, Антарктида, Австралія) утворювали разом єдиний материк Гондвана. Нинішня Північна Америка, Європа і Азія утворили материк Лавразія.
В Юрський період Гондвана і Лавразія відокремилася одна від одної. На той час еволюція динозаврів досягла досить високого ступеня, хвойні ліси існували вже впродовж мільйонів років, з’явилися перші птахи і ссавці. Ще до того як почався поділ Голдвани на південні континенти й Індію, що існують нині, динозаври і хвойні ліси зайняли панівне становище серед живих організмів. Після поділу Гондвани еволюція видів на різних континентах пішла різними шляхами. Так, сумчасті ссавці досягли великої різноманітності в Австралії і Південній Америці, тоді як плацентарні ссавці зайняли домінуюче становище на інших континентах.
Приблизно в цей же час відбувся поділ Лавразії, де вже існували хижі, копитні гризуни, примати і багато інших ссавців. Тому не дивно, що північноамериканські, азіатські і європейські види ссавців пов’язані між собою ближчою спорідненістю, ніж із ссавцями Австралії і Південної Америки. Нинішні континенти сформувалися в основному наприкінці мезозою, близько 110 млн. років тому, хоч Індія, переміщуючись на північ, з’єдналася з Азією тільки 20-30 млн. років тому.
4. Екосистеми.
Процеси, що відбуваються у середині екосистем
Біосфера – глобальна екосистема Землі, що складається з величезної кількості екосистем, серед яких виділяють:
мікроекосистеми (напр., стовбур гниючого дерева і т п.);
мезоекосистеми (ліс, ставок і т п );
макроекосистеми (океан, континент і т п ).
Для екосистеми необхідно здійснення процесів самовстановлення і саморегуляції сукупності середовищеутворювальних компонентів та елементів, що її складають. Під саморегуляцією розуміють спроможність природної екосистеми до відновлення внутрішніх властивостей й структур після якогось природного чи антропогенного впливу, що змінив ці властивості й структури.
Найнеобхідніші для людини функції екосистем:
виробництво харчу;
виробництво кисню;
виробництво незамінних ресурсів біологічного походження;
переробка і знешкодження різноманітних відходів;
рекреація і підтримання нормального стану нервової системи (душевного і психічного здоров`я) людини.
Виходячи з цього, найбільш важливими і для добробуту (існування) людини, і для біосфери в цілому, є наступні екосистеми:
сільськогосподарські;
лісні;
прибережні та прісноводні.
Саме ці екосистеми залучені до найважливіших екологічних процесів, що необхідні як для виживання людини, так і для стійкого соціально-економічного розвитку суспільства.
Аналізуючи внутрішнє життя екосистем логічно виділити три групи процесів (потоків):
потоки інформації;
потоки речовини;
потоки енергії.
Ці потоки взаємопов`язані і тісно переплітаються. Наприклад, носієм енергії та інформації часто служить поток речовини. Інформація може переноситися також з потоками енергії (світловою чи тепловою радіацією, звуковими сигналами) Тому виділення трьох груп процесів носить умовний характер і робиться лише для зручності аналізу дуже складного об`єкту – екосистеми, що функціонує. Завдяки такому виділенню стає зрозумілим, що для повноцінної охорони проживаючих, динамічних екосистем необхідно збереження всіх трьох потоків.
Потоки інформації. Інформація – енергетично слабка дія, яка сприймається організмом як закодоване повідомлення про змогу багаторазово більш міцної дії на нього з боку інших організмів або факторів середовища, та викликає у організму відповідну реакцію. Це найменш розроблена область у вивченні життя екосистем. Освоєння цієї області дозволить зрозуміти механізми регуляції та стійкості екосистем – святая святих екології та ключ до можливості достатньо тонко керувати ними. Один з аспектів вивчення інформації – це дослідження сигналізації та комунікації організмів. Встановлено, що практично всі можливі засоби сигналізації (світлова, хімічна, звукова) використовуються організмами.
Універсальну роль носія інформації у біосфері відіграють електромагнітні поля. Це обумовлено тим, що з усіх відомих нам типів зв`язку саме зв`язок на основі електромагнітних полів є найбільш інформативним та економічним.
Електромагнітні поля, як засіб зв'язку у біосфері, в порівнянні зі звуковою, світловою або хімічною інформацією мають такі переваги:
розповсюджуються в будь-якому середовищі життя – у повітрі, воді, грунті та тканинах організмів;
мають максимальну швидкість розповсюдження;
можуть розповсюджуватися при будь-якій погоді та незалежно від часу на добу;
можуть передаватися на будь-яку відстань;
можуть приходити на Землю із Космосу;
на них реагують усі біосистеми (на відміну від інших сигналів).
Раніш біологи враховували лише електромагнітне випромінювання Сонця в високоенергетичній частині його спектру – інфрачервоному, видимому та ультрафіолетовому частинах діапазону – як джерела енергії для усього живого. Лише в останні десятиріччя вони почали розуміти ту роль, яку відіграють у живій природі електромагнітні поля земного та космічного походження в діапазоні радіочастот, низьких та інфранизьких частот. З`ясувалося, що саме ці енергетично слабкі сигнали несуть інформацію, яка приймається, накопичується та використовується організмами. Це питання ще мало вивчено.
Небезпека, що повинна бути виключена при повноцінній охороні екосистеми – порушення інформаційних потоків між особинами одного виду внаслідок антропогенного впливу на середовище пробування.
І можливо, саме забрудненням інформаційного середовища, що викликане діяльністю людини, слід пояснити загадкові випадки масового «самогубства»китів, що викидаються на суходіл. Адже навколоземний простір у теперішній час перенасичений штучними антропогенними джерелами електромагнітного поля.
Потоки речовини. Ці потоки доцільно розглядати як потоки хімічних елементів (C, N, P). Вони бувають:
циклічними (коловороти речовин);
нециклічними (потоки речовини, що приносяться в дану екосистему зовні і уходять з неї в інші ділянки біосфери).
Коловорот речовин – це багаторазова участь речовин в процесах, що протікають в атмосфері, гідросфері, літосфері, в тому числі у тих їх шарах, які входять до біосфери планети. Проте в дійсності повний коловорот учиняють не речовини, а хімічні елементи. Тому точним буде термін «коловорот хімічних елементів».
Для того, щоб біосфера продовжувала існувати, щоб на Землі не припинявся розвиток, постійно повинні проходити беззупинні хімічні перетворення її живої речовини. Іншими словами, після використання одними організмами, речовини повинні переходити в засвою вальну для інших організмів форму. Така циклічна міграція речовин та хімічних елементів може мати місце тільки за певних витрат енергії, джерелом якої є Сонце.
Якщо не враховувати космічну речовину, що надходить до біосфери у вигляді метеоритів і пилу, то можна стверджувати, що кількість речовини, що утягується в біосферні процеси, залишається постійною протягом геологічних періодів.
Внаслідок геологічних змін лику Землі частина речовин біосфери може надовго виключатися з цього коловороту.
Такі біогенні опади, як вапно, кам`яне вугілля, нафта, на багато тисячоліть консервуються в товщі земної кори, але, в принципі, не виключено їх повторне включення в біосферний коловорот.
Виділяють два основних біохімічних коловорота:
великий (геологічний);
малий (біотичний).
Великий коловорот триває сотні тисяч чи мільйоні років. Він полягає в тому, що гірські породи зазнають руйнування, вивітрювання, а продукти вивітрювання, в тому числі розчинені у воді поживні речовини, зносяться потоками води в Світовий океан. Тут вони утворюють морські напластування і, лише частково повертаються до суходолу з опадами та з видобутими з води людиною організмами. Великі повільні геотектонічні зміни, процеси опускання і підіймання морського дна, переміщення морів та океанів за тривалий час призводять до того, що ці напластування повертаються до суходолу і процес починається знову.
Малий коловорот є частиною великого, відбувається на рівні біогеоценозу і полягає в тому, що поживні речовини грунту, вода, вуглець акумулюються в речовині рослин, витрачаються на побудову тіла і життєві процеси як їх самих, так і організмів-консументів. Продукти розпаду органічної речовини знов розкладаються ґрунтовою мікрофлорою і мезофауною (бактерії, гриби, молюски, комахи, простіші та ін.) до мінеральних компонентів, знов доступних рослинам, що знов утягують їх у поток речовини.
Коловорот хімічних речовин з неорганічного середовища через рослинні і тваринні організми назад в неорганічне середовище, що йде з використанням сонячної енергії хімічних реакцій, носить назву біогеохімічного циклу.
Коловороти основних речовин і хімічних елементів в біосфері: вуглецю, фосфору, кисню, води.
Енергетичні потоки. Одне з головних властивостей живої системи – її динамічний стан, що полягає в постійному синтезі і розпаді. Підтримання такого стану вимагає споживання вільної енергії, а також просторової і часової організації. В термінах термодинаміки екологічні системи будь-якого рангу є відкритими дисипативними ( розсіювальними ) системами, що знаходяться вдалині від термодинамічної рівноваги (теплового хаосу).
Термодинамічна нерівноважність – одна з найістотніших характеристик живої речовини, що відрізняє її від неживої.
Принцип «стійкої нерівновагі» (Е.С.Бауер, 1937) проголошує: «Усі і тільки живі системи ніколи не бувають у рівновазі і виконують за рахунок вільної енергії постійну роботу проти рівноваги, що вимагається законами фізики та хімії за відповідних зовнішніх умов».
Якщо температура того чи іншого тіла вище температури навколишнього повітря, тобто має деякий перепад температур, то загальна температура системи «тіло-середовище» прагне до рівноваги. В кінцевому підсумку енергія будь-якого живого тіла може бути розсіяна в тепловій формі, після чого наступає стан термодинамічної рівноваги і подальші енергетичні процеси виявляються неможливими.
Про таку систему кажуть, що вона знаходиться в стані максимальної ентропії. Ентропія, таким чином, відображає можливість перетворення енергії і розглядається як міра невпорядкованості системи (максимальної ентропії відповідає максимальна невпорядкованість – хаос). Для того, щоб ентропія системи не зростала, організм чи система повинна витягувати енергію («упорядкованість організації») звідкілясь іззовні, безупинно підтримувати та накопичувати її проти градієнту ентропії. Цю необхідну енергетичну дотацію екосистема ( та організми) одержує від Сонця, по суті являючи собою відкриту систему.
Живий організм добуває негентропію (негативну ентропію) з їжі, використовуючи упорядкування її хімічних зв`язків.
Саме вивчення потоків енергії дало можливість побачити цілісність екосистем, чітко виділити такі структурні особливості та характеристики екосистем, як харчові рівні, ланцюги, сіті.
Харчові (трофічні) ланцюги
Частина отриманої живими організмами енергії витрачається на підтримання життєвих процесів, частина передається організмам наступних харчових рівнів. На початку ж цього потоку знаходиться процес автотрофного (від грецького авто – сам і трофе – харчування) харчування рослин – фотосинтез, при якому підвищується упорядкованість енергії та органічних і мінеральних речовин, що деградували.
Продуценти за допомогою механізму фотосинтезу виробляють органічну речовину, споживаючи сонячну енергію, вуглекислий газ, воду і мінеральні солі. Хемопродуценти використовують енергію хімічних реакцій, наприклад, окислення з`єднань заліза чи сірки, і також виробляють органічну речовину. Можна сказати, що продуценти керують неживою частиною біосфери, її неживою речовиною.
Продуцентами керують консументи, діяльність яких визначають зворотні зв`язки, що йдуть від продуцентів. Консументи першого порядку (травоїдні тварини) харчуються органічною масою рослин. Консументи другого і третього порядків (хижаки, паразити, хижі рослини та гриби) харчуються іншими консументами.
Редуценти споживають частину поживних речовин, розкладаючи мертві тіла рослин і тварин до простих хімічних елементів ( води, вуглекислого газу і мінеральних солів),. замикаючи таким чином коловорот речовин в біосфері.
В природі, як правило, деякі кільця харчових ланцюгів є загальними для інших ланцюгів. Внаслідок картина взаємодій та взаємовідносин значно ускладнюється, що дає можливість казати про наявність просторових харчових сітей.
Отже, в харчових ланцюгах з одного трофічного рівня на інший передається речовина (біомаса) та енергія, яка еквівалентна цієї біомасі.
При передачі з одного харчового рівня на інший у простір розсіюється приблизно 90% енергії.
Оскільки у зворотний потік (від редуцентів до продуцентів) надходить незначна кількість первісно утягуваної енергії (не більш 0,25%), казати про «коловорот енергії» не можна.
Екологічні піраміди
В основі існування харчових ланцюгів лежать розмірні закономірності організмів, що споживаються.
У трофічний оборот екосистеми включається в середньому 1% енергії, що надходить від Сонця. На кожному наступному трофічному рівні зберігається лише приблизно 10% енергії, що засвоюється організмами попереднього трофічного рівня, а 80-90% її розсіюється в екосистемі у вигляді тепла. Тому, чим вище рівень консумента, тим менше сумарна біомаса його особин.
Співвідношення між продуцентами, консументами та редуцентами в екосистемі може бути виражено через один з видів екологічних пірамід.
Розрізняють три види екологічних пірамід:
Піраміда чисел Елтона – відображає співвідношення кількості особин у харчовому ланцюгу.
Піраміда біомас – відображає співвідношення мас живої речовини кожного кільця трофічного ланцюга.
Піраміда енергій – відображає співвідношення енергетичних еквівалентів на одиницю часу кожного кільця трофічного ланцюга.
Піраміди чисел та біомас відображають статику системи (кількість організмів в даний момент). Піраміда енергій відображає швидкість проходження маси їжі крізь харчовий ланцюг (динаміку системи). Якщо враховані усі джерела енергії, піраміда завжди буде мати типовий вигляд, як це диктується другим законом термодинаміки.
Екологічні піраміди дозволяють ілюструвати кількісні стосунки в окремих, особливо цікавих випадках, наприклад, у зв`язках «жертва-хижак» чи «хазяїн-паразит».
Антропогенні впливи призводять до перерозподілу потоків енергії по харчових ланцюгах екосистем чи заміни одного харчового ланцюга іншим. Ці зміни широко розповсюджені та передують вимиранню видів.
Окрім цих впливів на тонку структуру енергетичних потоків в екосистемі чинять немаловажний вплив і інші, що не пов`язані з харчовими сітями. Такими є впливи, що порушують звичайний для екосистеми потік теплової енергії:
Антропогенні викиди (емісії) тепла, що пов`язані з енергетикою і промисловістю
Зміна балансу радіації, що надходить від Сонця, внаслідок зміни відбиваючої спроможності (альбедо) поверхні екосистеми (зведення лісів та заміна на інші екосистеми – зменшується частка поглинаючої екосистемою сонячної радіації. Або «почорніння» поверхні – розширення водної поверхні, чи випалювання рослинності).
Внаслідок розгляду викладених вище питань, можна зробити висновок, що головними завданнями охорони екосистем є:
Підтримання найважливіших екологічних процесів та життєзабезпечуючих систем.
Збереження генетичної різноманітності.
Надання використанню видів та екосистем постійного, невиснаженого характеру.
5.Роль людського фактора в розвитку біосфери.
Центральною темою навчання про ноосферу є єдність біосфери і людства. Вернадський у своїх роботах розкриває корені цієї єдності, значення організованості біосфери в розвитку людства. Це дозволяє зрозуміти місце і роль історичного розвитку людства в еволюції біосфери, закономірності її переходу в ноосферу.
Однієї з ключових ідей, що лежать в основі теорії Вернадського про ноосферу, є те, що людина не є самодостатньою живою істотою, що живе окремо за своїм законами, він співіснує усередині природи і є частиною її. Ця єдність обумовлена насамперед функціональною нерозривністю навколишнього середовища і людини, що намагався показати Вернадський як біогеохімік. Людство саме по собі є природне явище і природне, що вплив біосфери позначається не тільки на середовищі життя але і на образі думки.
Але не тільки природа впливає на людину, існує і зворотний зв'язок. Причому вона не поверхнева, що відбиває фізичний вплив людини на навколишнє середовище, воно набагато глибше. Це доводить той факт, що останнім часом помітно активізувалися планетарні геологічні сили. “… ми усе більше і яскравіше бачимо в дії навколишні нас геологічні сили. Це збіглося, навряд чи випадково, із проникненням у наукову свідомість переконання про геологічне значення Homo sapiens, з виявленням нового стану біосфери — ноосфери — і є однієї з форм її вираження. Воно зв'язано, звичайно, насамперед з уточненням природної наукової праці і думки в межах біосфери, де жива речовина відіграє основну роль”. Так, останнім часом різко міняється відображення живих істот на навколишній природі. Завдяки цьому процес еволюції переноситься в область мінералів. Різко міняються ґрунти, води і повітря. Тобто еволюція видів сама перетворилася в геологічний процес, тому що в процесі еволюції з'явилася нова геологічна сила. Вернадський писала: “Еволюція видів переходить в еволюцію біосфери” .
Тут природно напрошується висновок про те, що геологічною силою є власне зовсім не Homo Sapiens, а його розум, наукова думка соціального людства. У “Філософських думках натураліста” Вернадський писав: “Ми саме переживаємо її яскраве входження в геологічну історію планети. В останні тисячоріччя спостерігається інтенсивне зростання впливу однієї видової живої речовини — цивілізованого людства — на зміну біосфери. Під впливом наукової думки і людської праці біосфера переходить у новий стан — у ноосферу”.
Ми є спостерігачами і виконавцями глибокої зміни біосфери. Причому перебудова навколишнього середовища науковою людською думкою за допомогою організованої праці навряд чи є стихійним процесом. Корені цього лежать у самій природі і були закладені ще мільйони років тому в ході природного процесу еволюції. “Людина… складає неминучий прояв великого природного процесу, що закономірно триває протягом, принаймні, двох мільярдів років”.
Звідси, до речі, можна укласти що висловлення про самознищення людства, про катастрофу цивілізації не мають під собою вагомих основ. Було б щонайменше дивно, якби наукова думка – породження природного геологічного процесу суперечила б самому процесу. Ми коштуємо на порозі революційних змін у навколишнім середовищі: біосфера за допомогою переробки науковою думкою переходить у новий еволюційний стан – ноосферу.
Заселяючи всі куточки нашої планети, спираючи на державно організовану наукову думку і на її породження, техніку, людина створив у біосфері нову біогенну силу, що підтримує розмноження і подальше заселення різних частин біосфери. Причому разом з розширенням області проживання, людство починає представляти себе усе більш споєну масу, тому що розвиваючі засоби зв'язку – засобу передачі думки огортають усю Земну кулю. “Цей процес – повного заселення біосфери людиною – обумовлений ходом історії наукової думки, нерозривно зв'язаний зі швидкістю зносин, з успіхами техніки пересування, з можливістю миттєвої передачі думки, її одночасного обговорення усюди на планеті”.
При цьому людина вперше реально зрозуміла, що він житель планети і може і повинний мислити і діяти в новому аспекті, не тільки в аспекті окремої особистості, чи родини роду, чи держав їхніх союзів, але й у планетному аспекті. Він, як і все живе, може мислити і діяти в планетному аспекті тільки в області життя — у біосфері, у визначеній земній оболонці, з яким він нерозривно, закономірно зв'язаний і піти з який він не може. Його існування є її функція. Він несе її із собою усюди. І він її неминуче, закономірно, безупинно змінює. Схоже, що вперше ми знаходимося в умовах єдиного геологічного історичного процесу, що охопив одночасно всю планету. XX століття характерне тим, що будь-які подія, що відбувається на планеті, зв'язуються в єдине ціле. І з кожним днем соціальна, наукова і культурна зв'язаність людства тільки підсилюється і поглиблюється. “Збільшення вселенності, спаяності всіх людських суспільств безупинно росте і стає помітним у деякі роки ледве не щорічно” .
Результат усіх перерахованих вище змін у біосфері планети дав привід французькому геологу Тейяр де Шардену укласти, що біосфера в даний момент швидко геологічно переходить у новий стан – у ноосферу, тобто такий стан у який людський розум і робота, що направляється їм, являють собою нову могутню геологічну силу. Це збіглося, видимо не випадково, з тим моментом коли люди засели усю планету, усе людство економічно об'єдналося в єдине ціле і наукову думку всього людства злилася воєдино, завдяки успіхам у техніку зв'язку. У такий спосіб:
Людина, як він спостерігається в природі, як і всі живі організми, як усяка жива речовина, є визначена функція біосфери, у визначеному її просторі-часі;
Людина у всіх його проявах являє собою частина біосфери;
Прорив наукової думки підготовлений усім минулим біосфери і має еволюційні корені. Ноосфера – це біосфера, перероблена науковою думкою, що підготовляється всім минулим планети, а не короткочасне і перехідне геологічне явище.
Вернадський неодноразово відзначав, що “цивілізація “культурного людства” — оскільки вона є формою організації нової геологічної сили, що створилася в біосфері,— не може перерватися і знищитися, тому що це є велике природне явище, що відповідає історично, вірніше, геологічно сформованої організованості біосфери. Утворити ноосферу, вона всіма коренями зв'язується з цією земною оболонкою, чого раніш в історії людства в скільки-небудь порівнянній мері не було” .
Багато чого з того, про що писав Вернадський, стає надбанням сьогоднішнього дня. Сучасні і зрозумілі нам його думки про цілісність, неподільність цивілізації, про єдність біосфери і людства. Переломний момент в історії людства, про що сьогодні говорять учені, політики, публіцисти, був побачений Вернадським.
Вернадський бачив неминучість ноосфери, підготовлюваної як еволюцією біосфери, так і історичним розвитком людства. З погляду ноосферного підходу по-іншому бачаться і сучасні болючі крапки розвитку світової цивілізації. Варварське відношення до біосфери, погроза світової екологічної катастрофи, виробництво засобів масового знищення — усе це повинно мати минуще значення. Питання про корінний поворот до джерел життя, до організованості біосфери в сучасних умовах повинний звучати як сполох, заклик до того, щоб мислити і діяти, у біосферному – планетному аспекті.
Список використаної літератури
1. Білявський Г. Основи екології: Підручник для студентів вищих навчальних закладів/ Георгій Білявський, Ростислав Фурдуй, Ігор Костіков. — К.: Либідь, 2004.
2. Заверуха Н. Основи екології: Навчальний посібник для вищих навчальних закладів/ Нелі Заверуха, Валентин Серебряков, Юрій Скиба,. — К.: Каравела, 2006.
3. Запольський А. Основи екології: Підручник для студентів техніко-технологічних спеціальностей вищих навчальних закладів/ Анатолій Запольський, Анатолій Салюк,; Ред. К. М. Ситник. — К.: Вища школа, 2003..
5. Основи екології: Навчальний посібник для вищих навчальних закладів/ О. М. Адаменко, Я. В. Коденко, Л. М. Консевич; Ін-т менеджменту та економіки «Галицька академія». — 2-е вид… — К.: Центр навчальної літератури, 2005.
6. Основи екології та екологічного права: Навчальний посібник/ Юрій Бойчук, Михайло Шульга, Дмитро Цалін, Валерій Дем’яненко,; За ред. Юрія Бойчука, Михайла Шульги,. — Суми: Університетська книга, 2004. — 351 с.
7. Сухарев С. Основи екології та охорони довкілля: Навчальний посібник/ Мін-во освіти і науки України, Ужгородський нац. ун-т. — К.: Центр навчальної літератури, 2006. — 391 с.