- 13. 4. Биологическое многообразие живых организмов и его роль в организации и сохранении устойчивости биосферы
- 13. 5. Принципы систематики в биологии
- Вопрос 4. Биологическое разнообразие как основа развития и существования биосферы. Теория биотической регуляции. Закон необходимого разнообразия экосистем.
- 2. Биологическое разнообразие, его роль в сохранении устойчивости биосферы.
- 7.6. Биологическое разнообразие – основа устойчивости биосферы
13. 4. Биологическое многообразие живых организмов и его роль в организации и сохранении устойчивости биосферы
За период, охватывающий около 3 млрд. лет, на Земле в результате биологической эволюции возникали все новые и новые разнообразные виды живых организмов (процесс видообразования продолжается и сегодня). В жесткой борьбе за существование многие из них исчезли безвозвратно, другие подвергались эволюционным изменениям и давали начало видам, их сменяющим, многие виды сохранились до наших дней. Сегодня живой мир нашей планеты «бесконечно» разнообразен и включает огромное число видов, что видно из таблицы 13.2.
Сегодня хорошо известно, что стабильность существования биосферы как экологической системы планетарного масштаба, зависит именно от многообразия видов живых организмов, ее составляющих. Все виды организмов находятся в прямой или косвенной взаимосвязи друг с другом (трофические, тропические и т.п.). На основании изучения естественных экологических систем с небольшим числом видов, их составляющих, (например: пещерные экосистемы, тундровые), а также искусственных (агробиогеоценозы, лабораторные экспериментальные экосистемы)
убедительно показана нестабильность таких систем, их уязвимость. Так изъятие, гибель даже одного вида может повлечь сильное повреждение и гибель данной системы.
13. 5. Принципы систематики в биологии
Систематика как самостоятельная биологическая дисциплина занимается проблемами классификации живых организмов и построением естественной системы живой природы.
Словосочетание естественная система живых организмов означает, что создаваемая система должна базироваться на каких-то сущностных, основополагающих свойствах классифицируемых объектов — организмов. Попробуем, в качестве аналогии, построить «естественную систему» таких объектов как книги, на примере личной библиотеки. При распределении книг по полкам книжных шкафов мы можем группировать их либо по формату, либо по цвету корешков. Но в этих случаях будет создана «искусственная система», так как «объекты» (книги) классифицируются по второстепенным, «не сущностным» свойствам. «Естественной» же «системой» будет библиотека, где книги сгруппированы в соответствии с их содержанием: на этих полках стоят книги по науке и технике, здесь — беллетристика, там — книги по искусству, а там — справочники и словари. Таким образом, мы осуществили классификацию имеющихся книг по их главному свойству, сущностному качеству — по их содержанию. Имея теперь «естественную систему», мы легко ориентируемся во множестве «объектов», ее образующих.
Фундаментальной основой современной систематики являются идеи о единстве происхождения живых организмов и эволюции органического мира, приведшей к существующему многообразию живых организмов. Руководствуясь этими идеями, современная систематика строит естественную систему на основе филогенетического родства (общности происхождения, близости и дальности родства между разными видами) анализируемых форм. Степень родственных отношений между сравниваемыми видами базируется на их морфологическом, анатомическом, биохимическом, генетическом и т.д. сходстве или различии. Для системы организмов свойственна иерархичность таксономических рангов — виды группируются в семейства, семейства — в отряды, отряды — в классы, классы — в типы, типы — в царства. Таксономическая единица более высокого ранга объединяет организмы по наиболее крупным и значительным, существенным и основополагающим признакам. Чем ниже ранг, тем более частный, подчиненный характер имеют признаки, по которым осуществляется группировка видов организмов в пределах данного таксона.
Рассмотрим, в качестве примера, какое место в системе живых организмов занимает человек как самостоятельный биологический вид.
Вопрос 4. Биологическое разнообразие как основа развития и существования биосферы. Теория биотической регуляции. Закон необходимого разнообразия экосистем.
Биологическое разнообразие как основа развития и существования биосферы.
1.Биологическое разнообразие обеспечивает основные функции биосферы:
– производство органического вещества;
– деструкцию органического вещества;
– ход биогеохимических круговоротов веществ и потоков энергии.
2. Биологическое разнообразие позволяет наиболее эффективно использовать ресурсы среды. Каждый из имеющихся в настоящее время видов приспособлен для наиболее эффективного функционирования в определенных экологических условиях – собственной экологической нише. При этом полночленные многовидовые сообщества способны использовать ресурсы среды максимально полно и с наименьшей напряженностью конкурентных отношений.
3. Наличие биологического разнообразия обеспечивает непрерывность живого покрова Земли, «всюдность жизни», по выражению В.И. Вернадского: в разных климатических зонах функционируют разные типы экосистем, в разных средах биосферы (водной, наземной, почве) обитают определенные, приспособленные к ним виды организмов. Даже в пределах одного вида имеется разнообразие аллелей, генотипов, географических рас, популяций, приспособленных к конкретным условиям.
4. Биологическое разнообразие обеспечивает непрерывность жизни во времени. В разные исторические эпохи на Земле происходили и происходят изменения условий среды обитания, но среди организмов всегда находились формы, способные к существованию в новых условиях – преадаптированные к ним, в то время как другие организмы, не имевшие таких приспособлений, вымирали.
5. Биологическое разнообразие обеспечивает биосферный гомеостаз: каждый вид в экосистеме находится под регулирующим влиянием других видов, которые препятствуют его избыточному размножению, что нанесло бы вред экосистеме. В бедных по видовому составу сообществах часто происходят вспышки численности отдельных популяций, что действует на эко-системы разрушающе.
При попытках снизить биологическое разнообразие экосистем, ограничив его одним или несколькими видами, как это делает человек в искусственных экосистемах – агроценозах, эффективность использования ими ресурсов среды снижается настолько, что они не могут существовать самостоятельно, без внесения человеком дополнительной энергии.
6. Биологическое разнообразие обеспечивает функцию развития экосистем в ходе экологических сукцессии, восстановление сообществ после повреждений. В ходе сукцессии идет постепенное замещение одних видов другими, более эффективными в изменившихся условиях. Завершают сукцессию, как правило, особые (климаксные) виды, лучше адаптированные к стабильным условиям и насыщенной среде. Но виды, свойственные ранним стадиям, не вытесняются полностью, а образуют с видами зрелого сообщества динамические равновесные системы. При изменении условий среды или действии на экосистемы внешних стрессовых факторов наличие видов, характерных для разных стадий сукцессии, позволяет экосистемам быстрее «залечивать» повреждения.
Таким образом, наличие биологического разнообразия на всех уровнях организации живого является условием устойчивого функционирования биосферы.
Теория биотической регуляции.
Профессор биофизики из Санкт-Петербурга В.Г. Горшков, начиная с 1970 г. разрабатывает теорию биотической регуляции и стабилизации окружающей среды.
Согласно первой концепции — традиционной — окружающая среда пригодна для жизни в силу уникальных условий на поверхности Земли, а естественная биота приспосабливается к любой окружающей среде благодаря главному свойству жизни — способности к эволюции и непрерывной адаптации к меняющимся условиям среды. При этом любые виды организмов, способные адаптироваться к окружающей среде и производить наибольшее количество потомков, могут составлять земную биоту. Согласно традиционной концепции изменение окружающей среды под воздействием человека — это определенный этап естественного эволюционного процесса — превращения биосферы в новую глобальную биосистему, а природное биоразнообразие — генетический ресурс человека, который следует сохранять лишь в заповедниках, зоопарках и генных банках. При этом безостановочный экономический рост возможен лишь за счет непрерывного расширения использования ресурсов биосферы.
По мнению В. В. Горшкова и др. в традиционной концепции практически игнорируются экологические ограничения на численность популяций биологических видов (в том числе человека), а также причины образования естественных сообществ и их среды обитания. Во второй концепции основная роль отводится биотической регуляции окружающей среды. Биота Земли рассматривается как единственный механизм пригодных для жизни условий окружающей среды в локальных и глобальных масштабах. В случае прекращения регулирующего воздействия биоты физически неустойчивая окружающая среда быстро перейдет (примерно за 10 тыс. лет) в устойчивое состояние, как на Марсе или Венере, где жизнь невозможна.
Пригодная для жизни человека окружающая среда создается и устойчиво поддерживается в оптимальном состоянии естественными, не нарушенными человеком экологическими сообществами живых организмов (биотой). Естественная биота компенсирует любые нарушения окружающей среды, не превосходящей порога разрушения самой биоты.
Главным достижением этой теории является определение критерия, который можно обозначить как предел устойчивости экосферы по отношению к антропогенным воздействиям (экологическая техноемкость).
Закон необходимого разнообразия: никакая система не может быть сформирована из абсолютно одинаковых элементов. Общее число функциональных элементов должно быть именно таким, сколько необходимо для устойчивого существования. Создание такой биологической системы маловероятно: это подтверждается тем фактом, что даже так называемая монокультура в сельскохозяйственном производстве таковой, строго говоря, не является — в ней всегда можно встретить сорные растения, животных-вредителей, микроорганизмы поверхностного слоя почвы и т. д.
2. Биологическое разнообразие, его роль в сохранении устойчивости биосферы.
I. Биологическое разнообразие— разнообразие населяющих Землю видов, разнообразие природных экосистем на земном шаре. 2. Разнообразие видов в природе — причина разнообразных пищевых, территориальных связей между ними, наиболее полного использования природных ресурсов, замкнутого круговорота веществ в природной экосистеме. Тропический лес — устойчивая экосистема благодаря большому разнообразию видов в ней, приспособленности организмов к совместному обитанию, оптимальному использованию природных ресурсов. Экосистема, состоящая из небольшого числа видов, например небольшой водоем, луг, — пример неустойчивых природных сообществ. 3. Сокращение видового разнообразия как результат деятельности человека: строительство городов, железных и шоссейных дорог, вырубка больших массивов леса, строительство промышленных предприятий, распашка земель под сельскохозяйственные угодья. Исчезновение в настоящее время около 10% видов высших растений на Земле. Вырубка тропических лесов, в которых сосредоточена значительная часть видов растений и животных, — проблема, требующая применения специальных мер защиты лесов. Исчезновение за последние 400 лет более 60 видов млекопитающих и более 100 видов птиц. 4. Влияние загрязнения окружающей среды на видовое разнообразие, причины его сокращения. Так, загрязнение воды в реках промышленными отходами — причина сокращения численности речного рака, пресноводной жемчужницы (моллюска), некоторых видов рыб. Обработка полей и садов ядохимикатами — причина гибели птиц, которые питаются насекомыми, зараженными ядами. Экосистемный характер сокращения видового разнообразия: каждый исчезнувший вид растений уносит с собой пять видов беспозвоночных животных, существование которых неразрывно связано с этим растением. 5. Роль биоразнообразия в сохранении устойчивости биосферы. Зависимость существования человека от состояния биосферы, от ее биологического разнообразия. Сохранение видового разнообразия, мест обитания растений и животных. Охраняемые территории: заповедники, биосферные заповедники, национальные парки, памятники природы, их роль в сохранении разнообразия жизни на Земле. Знаете поговорку: чисто не там где убирают, а там где не мусорят. Человек уже очень много «намусорил» и изменил в естественном облике земли. Возможно ли это прекратить? Думаю нет, но возможно изменить что либо в этом ходе событий при перестройке общего сознания – при переходе к ноосфере, к сознательному бережному пользованию природой, с просчетом каждого нашего шага в ее изменении наперед.
3. Среди пробирок с семенами выберите ту, в которой находятся семена, высеваемые на глубину 1-2 см. Поясните свой выбор. Все будет зависеть от размера семени:
— мелкие на глубину 1-2см (репа, лук); -средние – 2-4см (редис, огурец); — крупные – 4-5 см (фасоль, горох) Сначала зародыш питается запасами веществ, отложенных в клетках эндосперма. Глубина заделки семян зависит от их размера и свойств почвы. В крупных семенах достаточно питательных веществ и ростки не погибают, пробиваясь с большой глубины в течении долгого времени, поэтому чем крупнее семена, тем глубже их сеют.
Для продолжения скачивания необходимо пройти капчу:
7.6. Биологическое разнообразие – основа устойчивости биосферы
Под влиянием все возрастающих антропогенных нагрузок на среду и в результате быстрого развития негативных процессов общественное экологическое сознание за короткий срок «шагнуло» от «уверенности в своих силах» к осознанию «зависимости нашего будущего от судьбы многих видов животных и растений, населяющих Землю». К настоящему времени люди создали систему, основанную не на равновесии, а на чрезмерной эксплуатации воды, почвы, биоресурсов, энергии.
По всей вероятности, человечество стоит на пороге очередного важного «эволюционного события», которое определит дальнейшее развитие жизни на Земле. Очевидно, что господствующей общественной концепцией XXI века должна стать идея сохранения, биологического разнообразия (биоразнообразия).
Известный биолог и автор многих книг Е. Уилсон определил биоразнообразие как саму суть жизни, без которого нет жизни на Земле. Биоразнообразие означает разнообразие всего живого от генов до экосистем. Оно включает миллионы видов животных, растений и микроорганизмов, населяющих все уголки планеты: океаны, реки, озера, сушу, почву.
Само словосочетание «биологическое разнообразие» впервые применил Г. Бэйтс (1892) в известной работе «Натуралист на Амазонке», когда описывал свои впечатления от встречи около 700 разных видов бабочек за время часовой экскурсии.
В чем же заключается роль биоразнообразия в жизни на нашей планете, и, конечно же, в нормальной жизнедеятельности людей?
Во-первых – биоразнообразие это основа жизни на Земле. Основное условие поддержания жизни на Земле – способность биосферы создавать и поддерживать равновесие между входящими в ее состав экосистемами. Иными словами, на Земле должно быть необходимое количество тундры, лесов, степей, болот, пустынь, водоемов и внутри каждого из этих биомов должен сохраняться свой оптимальный биотический баланс и так до самых мелких экосистем.
Отсюда, необходимым условием нормального функционирования экосистем, и биосферы в целом является достаточный уровень природного разнообразия на нашей планете.
Массовое нарушение и даже уничтожение природных ландшафтов снижает видовое разнообразие, которое является необходимым условием стабильности биосферы. Миллионы видов животных и растений поддерживают условия, необходимые для продолжения жизни на Земле. Возможно, эти условия могло бы обеспечить и меньшее число видов, но каково оно, это достаточное число видов? Этого никто не знает. Как не знает и той черты, за которой при сокращении биоразнообразия начинается необратимое разрушение экосистем, и жизнь будет поставлена на грань существования.
Если представить, что человек остался в одиночестве на планете Земля, то нетрудно предсказать дальнейший ход событий: нет продуктов питания, растет жесткое ультрафиолетовое излучение (нет озонового экрана), из-за отсутствия кислорода, становится невозможным дыхание и климат оказывается несовместим с жизнью.
Во-вторых — биоразнообразие имеет практическую ценность. Это неиссякаемый источник биологических ресурсов от продуктов питания до разнообразных материалов. Они – основа большинства видов деятельности человека и от них зависит состояние мировой экономики. Потенциально любой вид живых организмов имеет коммерческую ценность или может быть использован в медицине для получения лекарств, в производстве и в быту.
В третьих – эстетическая ценность биоразнообразия. При этом в воображении возникают картины дождевого тропического леса, кораллового рифа, покрытой разнотравьем поляны, где богатство видов животных и растений создает положительные эмоции. Часто даже отдельный фрагмент природы, как, например, винный бражник, ночью в полете питающийся нектаром цветущего кипрея, оставляет неизгладимое впечатление. Красота, присущая биоразнообразию, служит источником вдохновения. Подлинные произведения искусств редко обходятся без изображений животных и растений, будь то скарабеи и змеи на колье царицы Клеопатры или лев из цветных изразцовых плиток на «Священной дороге» в Вавилоне.
Без эстетического удовольствия потеряли бы смысл многие наши увлечения, будь то спортивное рыболовство, охота, пешеходные прогулки или наблюдение за птицами. Красивые ландшафты, богатые видами разнообразные экосистемы — важнейшее условие для развития отдыха и туризма. И все же эстетическая ценность биоразнообразия — нечто большее, чем простое любование красивым пейзажем. Что было бы с человеком, его настроением, его мироощущением, если вместо красивого озера или участка соснового леса он видел бы вокруг себя только кучи мусора или исковерканный грубым вмешательством ландшафт?
В последние годы биоразнообразие стало ведущей концепцией. С момента подписания многими государствами Конвенции о биологическом разнообразии на Конференции ООН по окружающей среде и развитию в Рио-де-Жанейро (Бразилия), которая состоялась 3-4 июня 1992 года это понятие получило широкое международное звучание.
В дополнение к Конвенции о биологическом разнообразии страны, которые участвовали в работе конференции, приняли 3 важных решения:
1. Декларацию по окружающей среде и развитию (Декларация РИО)
2. ПРОГРАММУ ДЕЙСТВИЙ в XXI веке, известную как Повестка дня на 21 век. Важной частью данного документа стала рекомендация направлять деятельность в рамках Конвенции в первую очередь на выявление состояния биоразнообразия и потенциальных угроз ему в каждой из стран, признающих ценности, провозглашенные на конференции в Рио-де-Жанейро, и принятую программу действий.
3. Принципы рационального использования, сохранения и освоения всех видов лесов (лесные принципы).
Биологическая наука изучает четыре главнейших феномена: жизнь, организм, биосфера и биоразнообразие. Организация живой материи включает три блока, которые соответствуют трем основным уровням: 1) ниже организменного, 2) организменный и 3) выше организменного. Первый объединяет молекулярную, клеточную, тканевую и органную системы организации, второй соответствует организменной системе организации, а третий включает популяционно-видовую систему, экологическую систему и биосферу. Биоразнообразие пронизывает каждый из трех основных уровней: без разнообразия органических молекул нет жизни, без морфологического и функционального разнообразия клеток, тканей, органов, а у одноклеточных органелл — нет организма, без разнообразия организмов не может быть экосистем и биосферы. Очевидно, что никакие биологические процессы невозможны вне биосферы и экосистем. Отсюда берут начало три ветви биоразнообразия: генетическое, видовое и экологическое. Каждая ветвь подразделяется на уровни, обладающие своими особенностями и составляющие предмет изучения таких биологических наук, как генетика, систематика и экология (рис. 7.6.1.).
Видовое разнообразие растений и животных Беларуси. В настоящее время на территории Беларуси естественно произрастает около 12 тыс. видов организмов, относящихся к растениям и грибам. Наиболее изученными группами растительных организмов являются сосудистые растения (1680 видов), мохообразные (435), лишайники (477), грибы (более 7000) и водоросли (2232 видов).
Лесообразующие породы деревьев: сосна- 54,5%, береза 18,5%, ель – 10,9 %, ольха черная и серая – 9,9%, дуб, ясень, граб, клен и др. – 3,9%, осина – 2.3% .
Современный облик фауны Беларуси начал складываться около 250 тыс. лет назад после завершения периода третьего по счету самого мощного оледенения (Днепровского).
В состав животного мира Беларуси входит сейчас 462 вида позвоночных животных и более 30 тыс. видов беспозвоночных различных групп: (жуки — 3238, бабочки — 1600, перепончатокрылые — 800, клопы — 100, стрекозы — 90, мухи — 200, пауки — 400, клещи — 600, нематоды — 200, дождевые черви — 13 и т.д.).
Если проследить динамику биологического разнообразия в различных биомах, то окажется, что максимальная насыщенность жизнью характерна для: эстуария (место впадения рек в море), кораллового рифа, разнотравного луга, дождевого тропического леса, где на одном гектаре произрастает 100-200 различных видов деревьев. На поверхности земного шара существуют территории, где его уровень наиболее высок. Английский эколог Норман Майерс в 1988г выделил территории, которые, по его мнению, нуждаются в особом внимании. Эти территории получили название «горячих точек» биоразнообразия. Для их выделения было предложено 3 критерия:
1) высокий уровень видового разнообразия сосудистых растений;
2) высокий процент эндемичных видов растений;
3) наличие угрозы разрушения местообитаний этих видов в результате деятельности человека.
Суммарная площадь выделенных территорий – 2% общей площади суши, на которой встречается около 40% видов растений и 25% видов животных. Большинство «горячих точек» расположено в Латинской Америке, в бассейне Карибского моря, на северо-востоке Средиземноморья, в Африке, южной и юго-восточной Азии и в Австралии (рис 7.6.2).
Какие перспективные направления в сохранении биоразнообразия?
1 — разработка образовательных программ и подготовка квалифицированных специалистов в области сохранения биоразнообразия. Отличительная черта всех образовательных программ в области сохранения биоразнообразия состоит в сочетании глубокой теоретической подготовки с практической направленностью (летняя полевая практика для студентов).
2 – сохранение редких видов. Создание и совершенствование региональных и национальных Красных Книг и главное — практическое осуществление тех мероприятий, которые рекомендованы по отношению к видам, занесенным в Красные Книги.
3 – наиболее эффективной формой сохранения биоразнообразия и экологической стабильности является организация сети различного рода «особо охраняемых природных территорий». Для чего нужны ООПТ? Как ни странно, в научном мире на этот вопрос стали искать ответ сравнительно недавно. Только в середине 20-х годов было указано, что основная функция заповедников состоит не в том, чтобы служить эталоном природы для экологических исследований, а в том, чтобы гарантировать здоровое состояние среды и тем самым поддерживать экологическую устойчивость.
4 — охрана биотопов. Особое значение имеет сохранение ключевых биотопов, которые служат местом обитания многих характерных для данной местности видов животных и растений. Это, прежде всего: водно-болотные комплексы, заливные разнотравные луга, заболоченные черноольшанники, лесные комплексы.
5 — биотехнические мероприятия. Работы по акклиматизации, интродукции и т.д. В Англии и Германии миллионы километров живых изгородей, насаженных еще 200-300 лет назад, не только представляют собой миниатюрные островки дикой природы, но и предотвращают эрозию почв, удерживают влагу и служат источником древесины. В США почвы, подверженные эрозии, возвращают к жизни, террасируя их и обсаживая великолепным многоцветковым шиповником. В Саудовской Аравии лимонные и апельсиновые деревья выращивают на искусственных почвах, которые представляют собой находящиеся под слоем песка «подушки» из пористой резины.
6 — устойчивое использование природных ресурсов. Устойчивое использование территории означает ведение хозяйства без ущерба для биоразнообразия. Оно особенно актуально по отношению к лесному и сельскому хозяйству. Устойчивое «управление» лесами направлено на поддержание лесных массивов в таком состоянии, при котором изъятие древесины не приводит к нарушению устойчивости лесных экосистем и сокращению биологического разнообразия. При этом особое внимание должно уделяться сохранению ключевых биотопов – крупных сплошных массивов леса, осуществляющих климаторегулирующую функцию.
В 1997 г. был разработана национальная стратегия и план действий по сохранению и устойчивому использованию биологического разнообразия Республики Беларусь (Национальная стратегия и план действий…1997).