ГОСУДАРСТВЕННО ОБРОЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГОПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРОЗОВАНИЯ
КАЗАНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГОУНИВЕРСИТЕТА им.Туполева
КАФЕДРА ОБЩЕЙ ХИМИИ И ЭКОЛОГИИ
РЕФЕРАТ ПО КУРСУ ОБЩЕЙ ЭКОЛОГИИ.
Энергия в экологических системах. Принципы и концепции.Метаболизми размер особей
Выполнилстудент
Группы:3212
БургановД. А.
Проверил:доцент Гоголь Э. В.
Казань 2011
Оглавление
Введение
1.Энергия вэкологических системах
1.1Принципы и концепции
2.Метаболизм и размерособей
2.1 Объяснения и примеры
Заключение
Литература
Введение
Термин «экология» (от греч. «Ойкос» – дом, жилище и «логос» – наука) былпредложен более 100 лет назад выдающимся немецким естествоиспытателем ЭрнстомГеккелем.
В буквальном смысле экология – это наука об условиях существования живыхорганизмов, их взаимодействиях между собой и окружающей средой.
Экология – также междисциплинарное системное научное направление [27,32]. Возникнув на почве биологии, оно включает в себя концепции, технологииматематики, физики, химии. Но экология и гуманитарная наука, поскольку отповедения человека, его культуры во многом зависит судьба биосферы, а вместе сней и человеческой цивилизации.
В зависимости от специфики решаемых экологических задач существуют ееразнообразные прикладные направления: инженерная, медицинская, химическая,космическая экология, агроэкология, экология человека и т.д.
Что является предметом исследования экологии? Экология изучаеторганизацию и функционирование живых систем более сложных, чем организм, т. е.надорганизменных систем. Эти системы получили название экологических систем илиэкосистем.
Экосистема – это безразмерная устойчивая система живых и неживыхкомпонентов, в которой совершается внешний и внутренний круговорот вещества иэнергии [27]. В качестве примеров можно привести лесные экосистемы, почвы,гидросферу и т.д.
Самой крупной экосистемой, предельной по размерам и масштабам, являетсябиосфера. Биосферой называют активную оболочку Земли, включающую все живыеорганизмы Земли и находящуюся во взаимодействии с неживой средой (химической ифизической) нашей планеты, с которой они составляют единое целое. Биосферанашей планеты существует 3 млрд. лет, она растет и усложняется наперекортенденциям холодной энтропийной смерти; она несет разумную жизнь и цивилизацию.Биосфера существовала задолго до появления человека и может обойтись без него.Напротив, существование человека невозможно без биосферы.
Все остальные экосистемы находятся внутри биосферы и являются ееподсистемами. Крупная региональная экосистема, характеризующаяся каким-либоосновным типом растительности, называется биомом. Например, биом пустыни иливлажного тропического леса. Гораздо меньшей системой является популяция,включающая группу особей одного вида, т. е. единого происхождения, занимающая определенныйучасток. Более сложной системой, чем популяция, является сообщество, котороевключает все популяции, занимающие данную территорию. Таким образом, популяция,сообщество, биом, биосфера располагаются в иерархическом порядке от малыхсистем к крупным.
Однойиз задач экологии является изучение превращения энергии внутри экологическойсистемы. Усваивая солнечную энергию, зеленые растения создают потенциальнуюэнергию, которая при потреблении пищи организмами превращается в другие формы.Превращения энергии в отличие от цикличного движения веществ идут в одномнаправлении, почему и говорят о потоке энергии.
1. Энергия вэкологических системах
Сточки зрения изучения потоков энергии важны два начала термодинамики. Первоеначало гласит, что энергия не может создаваться заново и исчезать, а толькопереходит из одной формы в другую. Второе начало формулируется таким образом:процессы, связанные с превращениями энергии, могут протекать самопроизвольнолишь при условии, что энергия переходит из концентрированной формы врассеянную. То, что согласно второму началу энергия при любых превращенияхстремится перейти в тепло, равномерно распределенное между телами, далооснования говорить о «старении» Солнечной системы. Характерна ли эта тенденцияк энергетическому выравниванию для всей Вселенной, пока не ясно, хотя в XIXвеке широко обсуждался вопрос о «тепловой смерти Вселенной».
Общепринятаяв физике формулировка второго начала гласит, что в закрытых системах энергиястремится распределиться равномерно, т. е. система стремится к состояниюмаксимальной энтропии. Отличительной же особенностью живых тел, экосистем ибиосферы в целом является способность создавать и поддерживать высокую степеньвнутренней упорядоченности, т. е. состояния с низкой энтропией.
Поопределению Э. Шредингера, «жизнь – это упорядоченное и закономерное поведениематерии, основанное не только на одной тенденции переходить от упорядоченностик неупорядоченности, но и частично на существовании упорядоченности, котораяподдерживается все время… средство, при помощи которого организм поддерживаетсебя постоянно на достаточно высоком уровне упорядоченности (равно надостаточно низком уровне энтропии), в действительности состоит в непрерывномизвлечении упорядоченности из окружающей его среды. В самом деле, у высшихживотных мы достаточно хорошо знаем тот вид упорядоченности, которым онипитаются, а именно: крайне хорошо упорядоченное состояние материи в более илименее сложных органических соединениях служит им пищей. После использованияживотные возвращают эти вещества в деградированной форме, однако не вполнедеградированной, так как их еще могут употреблять растения. Для растений мощнымисточником „отрицательной энтропии“, конечно, является солнечный свет» (Э.Шредингер. Что такое жизнь? С точки зрения физика. М., 1972, с. 71, 76).
Свойствоживых систем извлекать упорядоченность из окружающей среды дало основаниянекоторым ученым, в частности Э. Бауэру, сделать вывод, что для этих системвторое начало не выполняется. Но второе начало имеет еще и другую, более общуюформулировку, справедливую для открытых, в том числе живых, систем. Она гласит,что эффективность самопроизвольного превращения энергии всегда меньше 100 %. Всоответствии со вторым началом поддержание жизни на Земле без притока солнечнойэнергии невозможно. «Все, что происходит в природе, означает увеличениеэнтропии в той части Вселенной, где это имеет место. Так и живой организмнепрерывно увеличивает свою энтропию, или, иначе, производит положительнуюэнтропию, и, таким образом, приближается к опасному состоянию – максимальнойэнтропии, – представляющему собой смерть. Он может избежать этого состояния, т.е. оставаться живым, только постоянно извлекая из окружающей средыотрицательную энтропию» (Там же, с. 76).
Вэкосистемах перенос энергии пищи от ее источника – растений через рядорганизмов, происходящий путем поедания одних организмов другими, и называетсяпищевой цепью. При каждом очередном переносе большая часть (80–90 %)потенциальной энергии теряется, переходя в тепло.
Этоограничивает возможное число звеньев цепи до четырех-пяти. Зеленые растениязанимают первый трофический уровень, травоядные – второй, хищники – третий и т.д. Переход к каждому следующему звену уменьшает доступную энергию примерно в 10раз. Переходя к человеку, можно сказать, что если увеличивается относительноесодержание мяса в рационе, то уменьшается число людей, которых можнопрокормить.
Экологическаяпирамида, представляющая собой трофическую структуру, основанием которой служитуровень продуцентов, а последующие уровни образуют ее этажи и вершину, можетбыть трех основных типов: «1) пирамида чисел, отражающая численность отдельныхорганизмов; 2) пирамида биомассы, характеризующая общий сухой вес, калорийностьили другую меру общего количества живого вещества; 3) пирамида энергии,показывающая величину потока энергии и (или) „продуктивность“ напоследовательных трофических уровнях» (Ю. Одум. Основы… с. 105).Энергетическая пирамида всегда сужается кверху, поскольку энергия теряется накаждом последующем уровне.
Важнейшейхарактеристикой экосистемы является ее продуктивность, под которой понимаетсякак рост организмов, так и создание органического вещества. Поглощается лишьоколо половины всей лучистой энергии (в основном в видимой части спектра), исамое большое около 5 % ее в самых благоприятных условиях превращается впродукт фотосинтеза. Значительная часть (не менее 20 %, а обычно около 50 %)этой потенциальной пищи (чистой продукции) человека и животных расходуется надыхание растений. Содержание хлорофилла на 1 м2в разных сообществах примерноодинаково, т. е. в целых сообществах содержание зеленого пигмента распределеноболее равномерно, чем в отдельных растениях или их частях.
Соотношениемежду зелеными и желтыми пигментами можно использовать как показатель отношениягетеротрофного метаболизма к автотрофному. Когда в сообществе фотосинтезпревышает дыхание, доминируют зеленые пигменты, а при усилении дыханиясообщества увеличивается содержание желтых пигментов.
Средипроизведенной в процессе фотосинтеза продукции выделяют первичнуюпродуктивность, которая определяется как скорость, с которой лучистая энергияусваивается организмами-продуцентами, главным образом зелеными растениями. Ееразделяют на валовую первичную продукцию, включая ту органику, которая былаизрасходована на дыхание, и чистую первичную продукцию – за вычетомиспользованной при дыхании растений. Чистая продуктивность сообщества –скорость накопления органического вещества, не потребленного гетеротрофами.Наконец, скорость накопления энергии на уровне консументов называют вторичнойпродуктивностью. В соответствии со вторым началом поток энергии с каждойступенью уменьшается, так как при превращениях одной формы энергии в другуючасть энергии теряется в виде тепла. «В более плодородных прибрежных водахпервичная продукция приурочена к верхнему слою воды толщиной около 30 м, а вболее чистых, но бедных водах открытого моря зона первичной продукции можетпростираться вниз на 100 м и ниже. Вот почему прибрежные воды кажутсятемно-зелеными, а океанские – синими» (Там же, с. 70).
Частьэнергии, идущая на дыхание, т. е. на поддержание структуры, велика в популяцияхкрупных организмов и в зрелых сообществах. Эффективность природных систем многониже КПД электромоторов и других двигателей. В живых системах много «горючего»уходит на «ремонт», что не учитывается при расчете КПД двигателей. Любоеповышение эффективности биологических систем оборачивается увеличением затратна их поддержание. Экологическая система – это машина, из которой нельзя«выжать» больше, чем она способна дать. Всегда наступает предел, после котороговыигрыш от роста эффективности сводится на нет ростом расходов и рискомразрушения системы.
Человекне должен стремиться получать более одной трети валовой (или половины чистой)продукции, если он не готов поставлять энергию для замены тех «механизмовсамообслуживания», которые развились в природе, чтобы обеспечить долговременноеподдержание первичной продукции в биосфере. Прямое удаление человеком илидомашними животными более 30–50 % годового прироста растительности можетуменьшить способность экосистемы сопротивляться стрессу.
Одиниз пределов биосферы – валовая продукция фотосинтеза, и под него человекупридется подгонять свои нужды, пока не удастся доказать, что усвоение энергиипутем фотосинтеза можно сильно повысить, не подвергая при этом опасностинарушить равновесие других, более важных ресурсов жизненного круговорота.
Урожай,получаемый человеком, составляет 1 % чистой или 0,5 % общей первичной продукциибиосферы, если учитывать только потребление пищи человеком. Вместе с домашнимиживотными это 6 % чистой продукции биосферы или 12 % чистой продукции суши.
Энергия,которую расходует человек, чтобы получить больший урожай, называется добавочнойэнергией. Она необходима для индустриализованного сельского хозяйства, так какэтого требуют культуры, созданные специально для него. «Индустриализованное(использующее энергию горючих ископаемых) сельское хозяйство (как, например,практикуемое в Японии) может дать в 4 раза более высокий урожай с гектара, чемсельское хозяйство, в котором всю работу выполняют люди и домашние животные(как в Индии), но оно требует в 10 раз больших затрат разного рода ресурсов иэнергии» (Там же, с. 526). Так называемые энергетические «субсидии»соответствуют закону убывающей отдачи А. Тюрго – Т. Мальтуса, формулируемомуследующим образом: «Повышение удельного вложения энергии в агросистему не даетадекватного пропорционального увеличения ее продуктивности (урожайности)».
Замкнутостьпроизводственных циклов по энергетически-энтропийному параметру теоретическиневозможна, поскольку течение энергетических процессов (в соответствии совторым началом термодинамики) сопровождается деградацией энергии и повышениемэнтропии природной среды. Действие второго начала термодинамики выражается втом, что превращения энергии идут в одном направлении в отличие от цикличногодвижения веществ.
Вформулировке Ю. Одума второе начало термодинамики справедливо по крайней мередля современного состояния системы «человек – природная среда», посколькусуществование этой системы полностью зависит от притока солнечной энергии. Мыявляемся свидетелями того, что повышение уровня организации и разнообразиякультурной системы уменьшает ее энтропию, но увеличивает энтропию окружающейприродной среды, вызывая ее деградацию. В какой степени можно элиминировать этиследствия второго начала? Существуют два пути. Первый заключается в уменьшениипотерь используемой человеком энергии при ее различных превращениях. Этот путьэффективен в той мере, в которой не приводит к понижению стабильности систем,через которые идет поток энергии (как известно, в экологических системахувеличение числа трофических уровней способствует повышению их устойчивости, нов то же время росту потерь энергии, проходящей через систему). Второй путьзаключается в переходе от повышения упорядоченности культурной системы кповышению упорядоченности всей биосферы. Общество в этом случае повышаеторганизованность природной среды за счет понижения организованности той частиприроды, которая находится за пределами биосферы Земли.
экологическийсистема энергия метаболизм
1.1 Концепция экосистемы
Живые организмы и их абиотическое окружение неразделимо связаны друг сдругом и находятся в постоянном взаимодействии. Любая биологическая система,включающая все совместно функционирующие организмы (биотическое сообщество) наданном участке и взаимодействующая с физической средой таким образом, что потокэнергии создает четко определенную трофическую структуру, видовое разнообразиеи круговорот веществ между живой в неживой частями, представляет собойэкологическую систему или экосистему.
Долговременное функционирование экосистемы обеспечивают три основныхкомпонента — сообщество, поток энергии и круговорот веществ.
Поток энергии направлен в одну сторону; часть поступающей солнечной энергиипреобразуется сообществом и переходит на качественно более высокую ступень,трансформируясь в органическое вещество, представляющее собой болееконцентрированную форму энергии, чем солнечный свет; но большая часть энергиидеградирует, проходит через систему и покидает ее в виде низкокачественной тепловойэнергии («тепловой сток»). В конечном итоге эта судьба ожидает всюэнергию, поступающую в биосферу. Энергия может накапливаться в экосистеме,затем снова высвобождаться или экспортироваться в другую систему, но ее нельзяиспользовать вторично.
В отличие от энергии элементы питания, в том числе биогенные элементы,необходимые для жизни (углерод, водород, кислород, азот, фосфор и др.), нетолько могут, но и должны использоваться многократно.
Все экосистемы, даже самая крупная — биосфера, являются открытыми системами:они должны получать и отдавать энергию. Разумеется, экосистемы, входящие вбиосферу, также в разной степени открыты для потоков веществ, для иммиграции иэмиграции организмов. Поэтому концепция экосистемы должна учитывать существованиесвязанных между собой и необходимых для функционирования и самоподдержанияэкосистемы «среды на входе» и «среды на выходе»: вконцептуально законченную экосистему входит среда на входе, среда на выходе исистема, т.е.:
Экосистема=IE+S+OE,
где IE — среда на входе; S — система; OE — среда на выходе.
Данная схема решает проблему, связанную спроведением границ рассматриваемой единицы, поскольку в этом случае не имеетзначения, как мы вычленяем исследуемую часть экосистемы. Часто удобнымиоказываются естественные границы, например берег озера или опушка леса; илиадминистративные, например границы города; но эти границы могут быть иусловными, если их точно определить геометрически. Конечно, экосистема неограничена «ящиком» в центре схемы, поскольку если бы этот«ящик» был герметичным, то его живое содержимое (озеро или город) невынесло бы такого заключения. Функционирующая реальная экосистема должна иметьвход и в большинстве случаев пути оттока переработанной энергии и веществ.
2.Метаболизм и размер особей
Под метаболизмом понимают постоянно происходящий в клетках живыхорганизмов обмен веществ и энергии. Одни соединения, выполнив свою функцию,становятся ненужными, в других возникает насущная потребность. В различныхпроцессах метаболизма из простых веществ при участии ферментов синтезируютсявысокомолекулярные соединения, в свою очередь сложные молекулы расщепляются наболее простые.
Принеизменном энергетическом потоке в пищевой цепи более мелкие организмы имеютболее высокую интенсивность обмена, более высокий удельный метаболизм(метаболизм в пересчете на 1 кг массы), чем крупные организмы. При этом мелкиеорганизмы создают относительно меньшую биомассу, чем крупные. Так, биомассабактерий, имеющихся в данный момент в экосистеме, гораздо ниже биомассымлекопитающих. Эта закономерность получила название правила Одума. Это правилозаслуживает особого внимания, поскольку из-за антропогенного нарушения природыпроисходит измельчание организмов, которое неминуемо должно привести к общемуснижению продуктивности и к разладу в экосистемах.
Приизмельчании особей выход биомассы с единицы площади в силу более плотногозаселения пространства увеличивается. Слоны не дадут такой биомассы и продукциис единицы площади, которую способна дать саранча. Это – закон удельнойпродуктивности. Так, мелкие предприятия и фермы в сумме производят большийобъем хозяйственной продукции, чем крупные, тем более крупнейшие.
Исчезновениевидов, представленных крупными особями, меняет структуру экосистем. При этоморганизмы одной трофической группы замещают друг друга. Так, копытных в степи исаванне сменяют грызуны, а в ряде случаев – растительноядные насекомые. Это –принцип экологического дублирования.
Врезультате потери энергии при переносе ее по трофической цепи и таких факторов,как зависимость метаболизма от размеров особи, каждая экосистема приобретаетопределенную трофическую структуру. Ее можно представить в виде экологическихпирамид. Если принять, что в вещество тела животного переходит в среднем 10%энергии съеденной пищи, то за счет 1 т растительной массы может образоваться100 кг массы тела травоядного животного, а за счет последнего – 10 кг массытела хищников.
2.1Обьяснения и примеры
Умелких растений и животных — водорослей, бактерии, простейших — удельныйметаболизма (на 1 г биомассы) значительно выше, чем у крупных, напримердеревьев и позвоночных. Это относится и к фотосинтезу, и дыханию. Во многихслучаях самыми важными для метаболизма сообщества оказывается не малочисленныекрупные, выделяющиеся своим размером организмы, а многочисленные мельчайшиеорганизмы, часто не различаемые невооруженным глазом. Например, метаболизммикроскопических водорослей (фитопланктона), которых в озере в каждый данный моментвремени наберется не более нескольких килограммов на гектар, может неотличаться от метаболизма намного большей биомассы деревьев в лесу или травы налугу. Точно так же несколько килограммов мелких ракообразных (зоопланктон), «пасущихся»на водорослях, могут иметь общее дыхание, равное дыханию многих килограммовпасущейся на лугу коровы.
Интенсивностьобмена у отдельных организмов или их ассоциаций часто оценивается по скоростипотребления кислорода (или в случае фотосинтеза — но скорости его продукции). Уживотных наблюдается общая тенденция к увеличению интенсивности обменав расчете на организм пропорционально степени 2/з роста объема (или массы);иначе говоря, интенсивность метаболизма на грамм биомассы растет с уменьшениемдлины (Zeuthen, 1953; Bertalanffy, 1957; Klеiber, 1961).
/>
Рис.3-17. Связь между дыханием и массой тела у одной особи (А) и дыханием наединицу массы и массой тела (Б). Показатель степени в уравнениях обычно лежит впределах 0,7—0,8. (С изменениями по Agren,Axelsson, 1980.)
Видимо,подобное соотношение наблюдается и у растений, хотя различия и строениирастений и животных затрудняют прямое сравнение объемов и линейных размеров.Связь между массой тела и интенсивностью дыхания на особь и на единицу массыпоказана на рис. 3,17» Для нас представляет интерес вторая кривая (рис. 3,17,Б), поскольку она показывает рост удельной (по массе) интенсивности метаболизмас уменьшением размеров особи. Различные теории, объясняющие эту тенденцию,особое внимание обращают на роль процессов диффузии; действительно, у крупныхорганизмов площадь поверхности, через которую может идти диффузия, на грамммассы меньше, чем у мелких животных. Однако общепринятого объяснения связимежду размером и метаболизмом пока нет. Конечно, сравнения следует проводитьпри одинаковой температуре, так как интенсивность обмена при высокойтемпература обычно выше (кроме случаев температурной адаптации; см. с 261 и202),
Присравнении организмов, имеющих размеры одного порядка, линейные зависимости,показанные на рис. 3.17, не всегда оказываются справедливыми. Это вполнеестественно, потому что на интенсивность метаболизма влияют и многие другиефакторы. Например, у теплокровных животных интенсивность дыхания выше, чем ухолоднокровных такого же размера. По это различие относительно мало носравнению с различием между позвоночными и бактериями. Итак, при одинаковомпоступлении энергии с пищей величины урожая па корню холоднокровнойрастительноядной рыбы в пруду и урожая теплокровных травоядных млекопитающих насуше могут быть одного порядка. Но, как ужо указывалось в гл. 2, в воздухекислорода больше, чем в воде, где он может служить лимитирующим фактором. Бобщем у водных животных, по-видимому, активность дыхания на единицу массыменьше, чем у наземных животных такого же размера. Такая адаптация вполне можетповлиять на трофическую структуру
Прианализе связи размеров с метаболизмом у растений часто нелегко решить, что же,собственно говоря, считать «особью». Так, большое дерево можно рассматриватькак одну особь, по при изучении связи размеров с площадью поверхности«функциональными особями» можно считать листья (вспомним понятие «индекслистовой поверхности»). Изучая разные виды крупных морских многоклеточныхводорослей, мы обнаруживаем, что виды с тонкими, или узкими, «ветвями» (т. е. свысоким соотношением поверхность/объем) характеризуются более высоким уровнемпродукции пищи на 1 г биомассы, более интенсивным дыханием и поглощениемрадиоактивного фосфора из воды, чем виды с толстыми «ветвями» (Е. Odum,Kuentzler, Blunt,1958). В этом случае «функциональными особями» являются «ветви* или дажеотдельные клетки, а не все растение, которое может быть образовано множеством«ветвей», прикрепленных к субстрату одним ризоидом.
Вонтогенезе любого вида также может наблюдаться обратная зависимость междуразмерами тела и интенсивностью метаболизма. Так, в яйцах интенсивностьметаболизма на 1 г массы обычно выше, чем у взрослых особей. По данным Хантераи Вернберга (Hunter, Vernberg,1955), метаболизм на 1 г массы у взрослых трематод (паразитических червей) в 10раз ниже, чем у их мелких личинок церкарий.
Заключение
Итак переходим к заключению. Вывод можно сделать такой. Что размер урожая биомассы на корню (выраженный в общемсухом весе или обшей калорийности всех организмов, имеющихся в данный момент),который может поддерживаться постоянным током энергии через пищевую цепь, взначительной мере зависит от размера особей. Чем меньше организм, тем выше егоудельный метаболизм (на 1 г или на 1 кал биомассы). Следовательно, чем меньше организм,тем меньше биомасса, которая может поддерживаться на данном трофическом уровнеэкосистемы, и, наоборот, чем крупнее организм, тем выше биомасса на корню. Так,«урожай» бактерий, имеющихся в данный момент, будет гораздо ниже «урожая» рыбыили млекопитающих, хотя эти группы использовали одинаковое количество энергии.
Воизбежание недоразумений подчеркиваем, что с увеличением размера снижается необщий метаболизм особи, а удельный, т.е. интенсивность метаболизма не единицувеса. Взрослому человеку требуется пищи больше, чем маленькому ребенку, но накилограмм своего веса взрослый потребляет меньше пищи.
Литература
Ю.Одум, 1975 г. «Основы экологии».
Сайт:www.xumuk.ru/