Устойчивое развитие. Лекция №3

Биосфера
часть 2

КРУГОВОРОТЫ
ВЕЩЕСТВ В ЭКОСИСТЕМАХ

I. Круговорот углерода
Рис. Упрощенная диаграмма части углеродного цикла, показывающая круговорот вещества и однонаправленный поток энергии в процессах фотосинтеза и аэробного дыхания.

Углерод является основным «строительным материалом» молекул углеводов, жиров, белков, нуклеиновых кислот (таких как ДНК и РНК) и других важных для жизни органических соединений.
Вмешательство человека в круговорот углерода резко возрастает, особенно начиная с 1950-х годов, из-за быстрого роста населения и использования ресурсов, и происходит оно в основном двумя способами:
- сведение лесов и другой растительности без достаточных лесовосстановительных работ, в связи с чем уменьшается общее количество растительности, способной поглощать СО2.
- сжигание углеродосодержащих ископаемых видов топлива и древесины. Образующийся при этом углекислый газ попадает в атмосферу.

II. Круговорот азота
Рис. Упрощенная диаграмма круговорота азота.

Вмешательство человека в круговорот азота состоит в следующем:
Сжигание древесины или ископаемого топлива (NO). Оксид азота затем соединяется в атмосфере с кислородом и образует диоксид азота (NO2), который при взаимодействии с водяным паром может образовывать азотную кислоту (HNO3).
Производство азотных удобрений и их широкое применение.
Увеличение количества нитрат-ионов и ионов аммония в водных экосистемах при попадании в них загрязненных стоков с животноводческих ферм, смытых с полей азотных удобрений, а также очищенных и неочищенных коммунально-бытовых канализационных стоков.

III. Круговорот фосфора
Рис. Упрощенная диаграмма круговорота фосфора.

1. разработка недр
2. разработка недр
3. сток и эрозия
4. выщелачивание
5. выщелачивание и эрозия
6. речной сток
7. разложение
8. отходы и разложение
9. птицы, питающиеся рыбой.
Вмешательство человека в круговорот фосфора сводится в основном к двум вариантам:
добыча больших количеств фосфатных руд для производств минеральных удобрений и моющих средств,
увеличение избытка фосфат-ионов в водных экосистемах при попадании в них загрязненных стоков с животноводческих ферм, смытых с полей фосфатных удобрений, а также очищенных и неочищенных коммунально-бытовых стоков.

IV. Круговорот серы
Рис. Упрощенная диаграмма круговорота серы.

Около трети всех соединений серы и 99% диоксида серы, попадающих в атмосферу, имеют антропогенное происхождение.
Сжигание серосодержащих углей и нефти для производства электроэнергии дает примерно две трети всех антропогенных выбросов диоксида серы в атмосферу.
Оставшаяся треть выделяется во время таких технологических процессов, как переработка нефти, выплавка металлов из серосодержащих медных, свинцовых и цинковых руд.

V. Круговорот воды
Круговорот воды или гидрологический цикл, в процессе которого происходит накопление, очистка и перераспределение планетарного запаса воды.
Человек вмешивается в круговорот воды двумя способами:
1. Забор больших количеств пресной воды из рек, озер и водоносных горизонтов. В густозаселенных или интенсивно орошаемых районах водозабор привел к истощению запасов грунтовых вод или к вторжению соленой океанической воды в подземные водоносные горизонты.
2. Сведение растительного покрова суши в интересах развития сельского хозяйства, при добыче полезных ископаемых, строительстве дорог, автостоянок, жилья и других видах деятельности. Это приводит к уменьшению просачивания поверхностных вод под землю, что сокращает пополнение запасов грунтовых вод, увеличивает риск наводнений и повышает интенсивность поверхностного стока, тем самым, усиливая эрозию почв.

ГОМЕОСТАЗ
Биологические объекты находятся в постоянном взаимодействии с ОС.
При малых временах состояние биологического объекта можно считать стационарным.
Гомеостаз есть постоянство внутренней среды организма и устойчивость основных физиологических функций. Способность биологического объекта к авторегуляции при изменении ОС.

Американский физиолог Уолтер Кеннон (Walter B. Cannon) в 1932 году предложил этот термин как название для «координированных физиологических процессов, которые поддерживают большинство устойчивых состояний организма». В дальнейшем этот термин распространился на способность динамически сохранять постоянство своего внутреннего состояния любой открытой системы.
Однако представление о постоянстве внутренней среды было сформулировано ещё в 1878 году французским учёным Клодом Бернаром.

Гомеостаз (др.-греч. ὁμοιοστάσις от ὁμοιος — одинаковый, подобный и στάσις — стояние, неподвижность) — саморегуляция, способность открытой системы сохранять постоянство своего внутреннего состояния посредством скоординированных реакций, направленных на поддержание динамического равновесия.
Стремление системы воспроизводить себя, восстанавливать утраченное равновесие, преодолевать сопротивление внешней среды.

-
Схема гомеостаза:
Y - какое-либо свойство биологического объекта;
X-внешний фактор и его воздействие на биологический объект; ХБ - безопасный уровень воздействия фактора.

Область гомеостаза - это область отрицательной обратной связи, так как организм работает в сторону возвращения системы в исходное (стационарное) состояние. При сильных нарушениях гомеостаза объект может перейти в область положительной обратной связи, когда изменения, вызванные воздействием вредных веществ, могут стать необратимыми, и объект все дальше и дальше будет отклоняться от стационарного состояния.

ТОЛЕРАНТНОСТЬ
Экологическая толерантность - это способность организма переносить неблагоприятные условия окружающей среды.
Зона экологической толерантности – интервал значений конкретного экологического фактора или сочетания нескольких факторов, в котором обеспечивается устойчивое существование вида или реализация каких-либо его функции.
Виды с обширными ареалами, как правило, характеризуются высокой экологической толерантности к физическим факторам.

ДИАПАЗОН ТОЛЕРАНТНОСТИ
минимальное и максимальное значение экологического фактора, переносимого данным организмом или экосистемой в целом.

ТОЛЕРАНТНОСТЬ в токсикологии
Способность организма переносить воздействие определенного количества вещества без развития токсических эффектов.

Толерантность (от лат. tolerantia - терпение, терпимость), выносливость организма (вида) к действию данного экологического фактора.
Лимитирующим фактором процветания организма может являться как минимум (недостаток), так и максимум (избыток) воздействия, диапазон между которыми определяет величину выносливости (толерантности) организма к данному фактору.
Закон толерантности — закон, согласно которому существование вида определяется лимитирующими факторами, находящимися не только в минимуме, но и в максимуме. Толерантность-способность организма переносить неблагоприятное влияние того или иного фактора среды.

В середине XIX в. немецкий ученый-агрохимик Ю. Либих изучал процессы питания растений и влияние разнообразных факторов и элементов питания на их рост. Он установил, что урожай культур зачастую ограничивается (лимитируется) не теми элементами питания, которые требуются в больших количествах, например углекислым газом и водой (обычно эти вещества присутствуют в среде в изобилии), а теми, которые необходимы в минимальных количествах, но которых и в почве очень мало (например, цинк). Либих писал: «Веществом, находящимся в минимуме, управляется урожай и определяется величина и устойчивость последнего во времени».
В простейшем виде, применительно к конкретным опытам ученого, закон минимума Либиха гласит: рост растения зависит от того элемента питания, который присутствует в минимальном количестве (минимуме). В современной формулировке закон минимума звучит так: выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей.

Закон минимума Либиха можно пояснить на таком примере. Пусть в почве содержатся все элементы минерального питания, необходимые для данного вида растений, кроме одного из них, например бора или цинка. Рост растений на такой почве будет угнетен. Если добавить в почву нужное количество бора (цинка), то это приведет к увеличению урожая. Но если вносить любые другие химические соединения (например, азот, фосфор, калий) и даже удастся добиться того, что все они будут содержаться в оптимальных количествах, а бор (цинк) будет отсутствовать, это не даст никакого эффекта.
При формулировании своих обобщений Либих пользовался определением «лимитирующий» по отношению к факторам среды. В экологии под лимитирующим (ограничивающим) фактором понимается любой фактор, который ограничивает процесс развития или существования организма, вида или сообщества. Им может быть любой из действующих в природе экологических факторов: вода, тепло, свет, ветер, рельеф, содержание в почве необходимых для жизнедеятельности растений солей и химических элементов, а в водной среде — химизм и качество воды, количество доступного кислорода и углекислого газа. Такими факторами могут быть конкуренция со стороны другого вида, присутствие хищника или паразита.

Изучая лимитирующее действие экологических факторов на насекомых, американский зоолог В. Шелфорд пришел к выводу, что лимитирующим фактором, ограничивающим развитие организма, может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия. В экологии такое положение носит название закона толерантности Шелфорда, сформулированного им в 1913 г. Диапазон между минимумом и максимумом определяет величину выносливости организма, который можно характеризовать экологическим минимумом и экологическим максимумом (рис. 2). В этих пределах и может существовать данный организм.
Благоприятный диапазон действия экологического фактора называется зоной оптимума (нормальной жизнедеятельности). Чем значительнее отклонение действия фактора от оптимума, тем больше данный фактор угнетает жизнедеятельность популяции. Этот диапазон называется зоной угнетения. Максимально и минимально переносимые значения фактора — это критические точки, за пределами которых существование организма или популяции уже невозможно.

Кривая толерантности почти всегда имеет форму колокола. Но она может быть крутой или пологой – в зависимости от того, в каком диапазоне значений фактора может существовать организм (рис. 1).

Если кривая оказывается пологой (рис. 2), это означает, что диапазон достаточно широк. Организмы, приспособившиеся существовать в широком диапазоне внешних условий, называются эврибионтными организмами, или эврибионтами.