Методичка: Экология

Это означает, что высококачественная энергия (низкая энтропия) в отличие от вещества не может быть восстановлена или использована повторно.

Оба закона термодинамики помогают понять, как, оценивая получаемую из различных источников энергию, можно сократить потери путем повышения ее эффективности. Например, лишь 16% всей производимой энергии, которая поддерживает экономику США, используеться для выполнения полезной работы или расходуется в процессе производства продуктов нефтехимии, из которых в свою очередь получают пластмассы, лекарства и многое другое. Это означает, что в США теряется 84% производимой энергии. Около 41% этой энергии теряется необратимо при рассеянии тепла, согласно второму закону термодинамики. Но потерь 43% энергии можно было бы избежать.

Устройства и процессы, в которых происходит превращение энергии, различаются по энергетической эффректвности, то есть доле затраченной анергии, которая выполняет полезную работу.

Если мы используем более экономичные двигатели и приборы и не пользуемся высококачественной энергией там, где можно обойтись низкокачественной, мы можем сократить потери энергий. Мы можем также уменьшить неизбежные потери низкокачественного тепла в окружающую среду, если будем строить изолированные, герметичные здания, использовать тепловые отходы, образующиеся при сжигании ископаемого топлива для производства электроэнергии (принцип когенерации энергии ).

Чистая полезная энергия - это количество полезной энергии, полученной из исходных энергетических ресурсов, за вычетом затраченной на ее получение полезной энергии. Часто этот показатель выражается практическим коэффициентом полезного действия.

Таблица 1.1 Коэффициент полезного действия некоторых устройств, трансформирующих энергию

При выполнении конкретных задач различные виды энергетических ресурсов характеризуются разной величиной полезного действия (коэффициентом рентабельности). Это очень важно учитывать при принятии решений о том, какие энергетические ресурсы следует использовать в каждом конкретном случае.

Таблица 1.2 Практический коэффициент полезного действия различных энергетических систем

1.4 Чистая первичная продуктивность экосистем

Основополагающим объектом изучения экологии является взаимодействие пяти уровней организации материи: живые организмы, популяции, сообщества, экосистемы и биосфера..

Живой организм - это любая форма жизнедеятельности. Каждый живой организм или популяция (группа организмов одного вида) имеет свое местообитание: местность или тип местности, где они проживают. Когда несколько популяций различных видов живых организмов живут в одном месте и взаимодействуют друг с другом, они создают так называемое биологическое сообщество (биоценоз).Примерами являются все растения, животные и деструкторы, произрастающие и проживающие в лесу, пруду, пустыне или в аквариуме.

Экосистема - это совокупность закономерно-связанных неживых (косных) и живых компонентов природы посредством обмена энергией. Веществом и информацией

. Это вечно меняющаяся (динамичная) сеть биологических, химических и физических взаимодействий, которые поддерживают жизнеспособность сообществ и помогают им приспосабливаться к изменениям условий окружающей среды..

Выделяют экосистемы различного ранга: от микроэкосистем (труп животного, разлагающийся пень, лужица, аквариум); мезоэкосистемы (лес, пруд, река и т.п.); макроэкосистемы или биомы (океан, континент, природные зоны) и глобальная экосистема - биосфера в целом. Таким образом, биосфера является системой систем более низкого ранга.

Биогеоценоз -(термин введен в науку В.Н.Сукачевым, 1942 г.) это устойчивая система живых (однотипное растительное сообщество, животные и микроорганизмы) и косных компонентов природы, взаимодействующих в пределах однородного участка земной поверхности с особым микроклиматом, геологическим строением, почвой и водным режимом. В состав любого биогеоценоза и экосистемы входят два блока - биоценоз и экотоп. Биоценоз - это совокупность взаимосвязанных организмов разного вида, которые входят популяциями. Экотоп - это совокупность неживых (косных) компонентов природы ( воздуха, воды, почвы и климатических факторов), т.е. среда обитания биоценоза Границами между отдельными биогеоценозами являются либо горная гряда, либо водный раздел. Совокупность биогеоценоза и хозяйственной деятельности человека называют нообиоценозом.

Основные типы организмов, которые, формируют живые, или биотические, компоненты экосистемы, принято подразделять на продуцентов, консументов и редуцентов. Это разделение базируется на преобладающем способе питания организмов.

Продуценты - это организмы, производящие органические соединения, используемые ими как источник энергии и питательных веществ. Большинство продуцентов - зеленые растения, которые создают необходимые органические питательные вещества в процессе фотосинтеза. Растения используют солнечную энергию для получения углеводородов (например, глюкозы), крахмала и целлюлозы из углекислого газа и воды. При этом выделяется кислород, являющийся побочным продуктом фотосинтеза. Фотосинтез может быть представлен следующим образом:

6СО2 + 6Н2О + hн = С6Н12О6 + 6О2

Только продуценты способны сами производить для себя пищу, более того, они непосредственно или косвенно обеспечивают питательными элементами консументов и редуцентов. Большинство животных (в том числе и люди) получают питательные вещества, потребляют в пищу растения иди растительноядных животных; образно говоря, любое мясо - это трава.

Скорость, с которой растения экосистемы производят полезную химическую энергию или биомассу, называется чистой первичной продуктивностью растений. Она равняется скорости накопления химической энергии в биомассе в процессе фотосинтеза, за вычетом скорости, с которой растения используют некоторую часть этой энергии для аэробного клеточного дыхания, необходимого для их жизнедеятельности, роста и размножения.

Чистая первичная продуктивность обычно рассчитывается как количество энергии, созданной растениями на единице площади за единицу времени. Мы можем использовать эту величину для оценки потенциала создания растительного материала, необходимого в качестве пищи для животных и человека. Экологами было подсчитано значение среднегодовой чистой первичной продуктивности для основных наземных и водных экосистем.

Таблица 1.3 Оценка среднегодовой чистой продуктивности растений

Вывод о том, что нужно вырубить тропические леса и выращивать на их месте урожаи, а также использовать под сельскохозяйственные культуры эстуарии и болота, чтобы прокормить растущее население, ошибочный. Растения (в основном травы), произрастающие в эстуариях и на болотах, хотя и не пригодны в качестве пищи для человека, однако крайне важны как источники корма и места размножения для рыб, креветок и других водных животных, снабжающих нас белком. Поэтому мы должны не уничтожать, а охранять такие растения.

Факторы, определяющие устойчивость экосистем и биосферы: ассиметричность их строения; видовое многообразие; разнообразие экологических факторов; множество связей между экосистемами более низкого ранга; гомеостаз; согласованность скоростей круговоротов различных химических элементов.

Факторы, определяющие динамику и развитие экосистем и биосферы: цикличность процессов, протекающих в экосистемах; эволюция; сукцессия; круговорот веществ в природе.

2. Круговороты веществ в природе

Круговорот веществ в природе - это повторяющиеся процессы перемещения и превращения веществ в природе, имеющие выраженный циклический характер. Существует три вида круговоротов веществ: большой (геологический), малый (биогеохимический) и техногенный (антропогенный или социальный).

Большой (геологический) круговорот происходит под влиянием внутренней энергии Земли. Это энергия радиоактивного распада изотопов химических элементов, образование минералов и горных пород, тектоническое движение земных плат, землетрясения, извержение вулканов, метаморфизм.

Малый биогеохимический круговорот осуществляется с участием живых организмов (растений, животных и микроорганизмов). Он осуществляется в пределах биосферы. Движущей силой этого вида круговорота - солнечная энергия, которая порождает фотосинтез. В его основе лежат также процессы дыхания, питания, метаболизма, размножения, смерти и разложения мертвой (дентритной) биомассы.

Любые элементы или их соединения, необходимые для жизнедеятельности организмов, их роста и размножения, называются питательными веществами. Они включают как органические вещества,(жиры белки, углеводы) , так и неорганические (углекислый газ, кислород, ионы нитратов, фосфатов, железа, меди и других микроэлементов). Около 40 элементов и их соединений являются наиболее важными для живых организмов. Эти элементы, необходимые в больших количествах, называются питательными макроэлементами. К ним относятся углерод, кислород, водород, азот, фосфор, сера, кальций, магний, калий. Они составляют 97% массы человеческого тела и более 95% массы всех живых организмов. Около 30 других элементов, необходимых для жизни в небольших или незначительных количествах, называют микроэлементами. Это железо, медь, цинк, йод и прочие

Большинство элементов на Земле находится в состоянии, не пригодном для прямого использования живыми организмами. К счастью, элементы и их соединения. Большинство элементов на Земле находится в состоянии, не пригодном для прямого использования живыми организмами. К счастью, элементы и их соединения, необходимые в качестве питательных веществ для поддержания жизни, пребывают в постоянном круговороте в биосфере и способны преобразовываться в необходимые для поглощения формы в результате целого комплекса биологических, геологических и химических процессов. Такой переход питательных элементов от неживой природы (из запасов атмосферы, гидросферы и земной коры) к живым организмам и обратно в неживую среду происходит в биогеохимических круговоротах (био означает "жизнь", гео - "земля", а слово химический подразумевает переход материи из одной формы в другую).