1. Биосфера и место человека в биосфере
Термин «биосфера» появился в науке в 1875 г., однако первые представления о биосфере складывались уже в начале 19 в. Эти первые представления были, в частности, отражены в работе «Гидрология» Ж.Б. Ламарка (1802). не пользуясь понятием «биосфера, он писал, что «все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов». В 1826 г. немецкий ученый Гумбольдт ввел понятие «жизненная среда», понимая под этим оболочку Земли, куда включал атмосферные, морские и континентальные процессы и весь органический мир. Так в науке формировалось понятие пространства, охватываемого жизнью и ей же создаваемого. Геолог Э. Зюсс назвал это пространство «биосферой». Впоследствии понятие биосферы разрабатывалось разными исследователями. Считается, что наиболее полно концепция биосферы разработана в трудах отечественного естествоиспытатели и философа В.И. Вернадского (1863-1945). В 1926 г. вышла его работа «Биосфера», в котором ученый изложил свое учение о «живом веществе» и его геологических функциях. Суть его учения заключается в следующем:
биосфера – это целостная организованная система живого вещества;
все явления в ней – часть единого механизма биосферы;
живое вещество – это то звено, которое соединяет историю химических элементов с с эволюцией организмов и человека и с эволюцией всей биосферы.
Биосфера сыграла определяющую роль в возникновении атмосферы, гидросферы и литосчферы. Биосфера представляет собой единство живого и минеральных элементов, вовлеченных в сферу жизни. Биосфера в своем естественном состоянии – это монолит жизни.
Органическая жизнь сосредоточена в литосфере (верхняя часть твердой поверхности земной коры), в гидросфере (моря, реки, озера и Мировой океан), а также в тропосфере (нижние слои атмосферы).
Нижняя граница биосферы опускается на 2-3 км на суше и на 1-2 км ниже дна океана, а верхней служит так называемый озоновый экран на высоте 20-25 км, выше которого жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца убивает все живое. Человеческое общество с его производством и созданной им искусственной средой – техносферой также является частью биосферы. Суммарная биомасса живых организмов Земли оценивается примерно в 2,4×1012 т, причем основная ее часть (более 99%) образована наземными животными, растениями и организмами. Биомасса организмов океана ничтожно мала по сравнению с биомассой наземных организмов.
Жизнь распространена по земной поверхности крайне неравномерно и в различных природных условиях принимает вид относительно независимых комплексов – биогеоценозов или экосистем. Живая часть биогеоценоза носит название биоценоза.
Разнообразные процессы и явления, протекающие в биосфере, являются объектом исследований различных наук. Особое место при этом отводится экологии. Э.Геккель, впервые применивший этот термин (<греч. ойкос – дом, жилище, логос – наука) определил экологию как «..познание экономики природы, одновременное исследование всех взаимоотношений живого с органическими и неорганическими компонентами среды, включая непременно антагонистические и неантагонистические взаимоотношения животных и растений, контактирующих друг с другом. Одним словом, экология – это наука, изучающая все сложные взаимосвязи и взаимоотношения в природе, рассматриваемые Дарвином как условия борьбы за существование». В результате деятельности человека экология, дифференцируясь на множество самостоятельных наук, все больше приобретает политический и социальный оттенок, включая в себя вопросы права, экономики, социологии, технологии и др.
Связи между компонентами биосферы. Биосфера выполняет свои функции благодаря многосторонним трофико-метаболическим (т.е. обменным) связям. Все живые организмы связаны между собой энергетическими отношениями, поскольку являются объектами питания других организмов.
Понятие о трофической цепи. Живые организмы, входящие в состав биоценоза, неодинаковы с точки зрения специфики ассимиляции ими вещества и энергии из ОС. Поскольку растения не нуждаются в других живых посредниках для строительства своего организма, их называют автотрофами (самопитающимися). Поскольку они, используя энергию солнечного света, создают органическое вещество из неорганического, их называют производителями, или продуцентами. Организмы, которые не могут строить собственное вещество из минеральных компонентов, вынуждены использовать созданное автотрофами, употребляя их в пищу. их называют поэтому гетеротрофами, что означает «питаемый другими» или консументами (потребителями).
Травоядные животные - консументы 1-го порядка поедают растения – продуценты, первичные хищники – консументы 2-го порядка поедают травоядных, вторичные хищники – консументы 3-го порядка поедают хищников – консументов 2-го порядка и консументов 1-го порядка. Таким образом, создаются пищевые цепи из продуцентов и консументов. И продуценты и консументы на разных этапах своего жизненного цикла смыкаются с редуцентами, или деструкторами (т.е. разрушителями): микроорганизмами, бактериями, грибами. Редуценты разлагают выделения животных, микроорганизмов, мертвые организмы и минерализуют их до воды, СО2 и минеральных удобрений. Таким образом, в сообществе живых организмов от звена к звену циркулируют питательные вещества и энергия (см. рис. 1).
Экологические факторы. Среда, окружающая живые организмы, т.е. материальные тела и явления, с которыми организм находится в прямых или косвенных отношениях, характеризуется огромным разнообразием. Это многообразие элементов, явлений, условий рассматриваются в качестве экологических факторов.
Экологический фактор – это любое условие среды, способное оказывать прямое или косвенное воздействие на живые организмы хотя бы на протяжении одной из фаз индивидуального развития. Организм, в свою очередь, реагирует на экологический фактор специфичными приспособительными реакциями. Экологические факторы подразделяются на две категории: факторы неживой природы (абиотические) и факторы живой природы (биотические).
(Существуют и другие классификации экологических факторов, например, зависящие от численности тех или иных организмов и не зависящие, постоянно действующие или периодические).
Абиотические факторы. Абиотические факторы могут быть классифицированы следующим образом:
климатические: солнечный свет, температура, влага, скорость движения воздуха, давление; химические: газовый состав воздуха, солевой состав воды, концентрация, кислотность и состав почвенных растворов; эдафогенные, или почвенные: механический состав почв, влагоемкость, плотность, воздухопроницаемость; орографические (< греч. гора): высота над уровнем соря, рельеф, экспозиция склона.
Биотические факторы. Под биотическими факторами понимают совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на другие. Они могут быть, в свою очередь, подразделены на
фитогенные: влияние растительных организмов; зоогенные: влияние животных организмов; микробиогенные: вирусы, простейшие, бактерии; антропогенные: деятельность человека.
Растения создают первичное органическое вещество на Земле и, следовательно, представляют собой пищу для всех иных живых организмов. Любой вид животных обладает четкой исбирательностью к составу пищи. Среди животных есть виды, которые могут питаться одним видом растений или животных (монофаги) и многими видами (полифаги).
Типы взаимоотношений между животными весьма разнообразны. Можно назвать некоторые из них.
1. «Хищник – жертва», т.е. непосредственное преследование и пожирание одних видов другими. 2. Комменсализм - взаимоотношение, когда один вид питается остатками пищи другого. 3. Синойкия – использование одними животными нор и гнезд других. 4. Нейтрализм – взаимонезависимость совместно обитающих видов. 5. Протокооперация – совместное гнездование нескольких видов птиц, способствующее защите от хищников. 6. Интерференция – ненамеренное подавление одного вида другим.
Лимитирующие факторы. В 1840 г. химик – органик Ю. Либих (1803-1873) выдвинул теорию минерального питания растений, в которой утверждается, что развитие растений зависит не только от тех химических элементов или веществ (факторов), которые присутствуют в достаточном для организма количестве, но и от тех, которых не хватает. Например, избыток воды или азота не заменяет недостатка бора или железа, которые обычно присутствуют в почве в малых количествах. Либих сформулировал «закон минимума» (называемый также «законом Либиха»), согласно которому необходимо увеличивать содержание в почве минерального вещества, находящегося в минимальном количестве. Разумеется, закон Либиха справедлив не только для растений.
Спустя 70 лет американский ученый В.Шелфорд доказал, что не только вещество или какой-либо другой фактор (например, температура, давление и т.п.), присутствующее в минимуме, может определять урожай или жизнеспособность организма, но и избыток какого-то элемента может приводить к нежелательным последствиям. Например, многие животные и растения могут поддерживать жизнедеятельность лишь в некотором узком диапазоне рН. Согласно В.Шелфорду, факторы, присутствующие как в избытке, так и в недостатке по отношению к оптимальным требованиям организма, называются лимитирующими, а соответствующее правило получило название «закона лимитирующего фактора», или «закона толерантности» (толерантность = терпимость). Действие закона толерантности проиллюстрировано на рис. 2.
Экологическая ниша. Любой живой организм адаптирован к определенным условиям окружающей среды. Требования того или иного организма к факторам среды обуславливают границы его рапространения (ареал) и место, занимаемое в экосистеме. Совокупность множества параметров среды, определяющих условия существования того или иного вида и его функциональных характеристик (преобразование им вещества и энергии, обмен информацией со средой и с себе подобными и др.) представляет собой экологическую нишу. Таким образом, экологическая ниша включает не только положение вида в пространстве, но и его функциональную роль в сообществе (например, трофический уровень) и его положение относительно абиотических факторов (температура, влажность и т.п.). Определить экологическую нишу какого-либо вида, по образному выражению, означает сказать: где он живет, как он живет, кого он ест и кто его ест.
В настоящее время одним из важнейших биотических факторов является антропогенный фактор.
К началу документа
- Концепции современного естествознания Лекция 1. Тема: Введение в дисциплину.
- 1. Естествознание. Определение и содержание понятия. Задачи естествознания
- 2. Взаимосвязь естественных наук. Редукционизм и холизм.
- 3. Фундаментальные и прикладные науки. Технологии
- 4. Тезис о двух культурах.
- Лекция 2. История развития естествознания
- 1. Этапы (стадии) познания природы
- 2. Глобальные естественнонаучные революции
- Роль космологии в естественнонаучных революциях
- Концепции современного естествознания Лекция 3. Методология научных исследований
- 1. Понятие методологии и метода
- 2. Методы научного познания 2.1. Общенаучные методы
- 2. Методы эмпирического и теоретического познания
- 3. Формы научного знания
- 4. Процесс научного познания
- 5. Критерии истинности научного знания
- Лекция 4. Механика и методология Ньютона
- 1. Движение - одна из основных проблем естествознания
- 2. Механика Галилея как основа механики Ньютона
- 3. Механика Ньютона
- 4. Ньютоновская методология исследований
- 5. Оптика Ньютона – предвосхищение современной концепции о двойственной природе света
- Лекция 5. Механическая картина мира (мкм)
- 1. Понятие научной картины мира
- 2. Формирование механической картины мира (мкм)
- 3. Основные понятия и законы мкм
- 4. Основные принципы мкм
- Лекция 6. Термодинамическая картина мира (I)
- 1. Промышленная революция и развитие теории теплоты
- 2. Работа в механике. Закон сохранения и превращения энергии в механике
- 3. Теплородная и кинетическая теория теплоты
- 4. Термодинамика и статистическая физика
- Лекция 7. Термодинамическая картина мира (II). Второе начало термодинамики
- 1. Идеальный цикл Карно.
- 2. Энтропия. Термодинамическая трактовка.
- 3. Энтропия. Вероятностная трактовка.
- Лекция 8. Термодинамическая картина мира (III). Стрела времени
- 1. Вероятность как атрибут больших систем.
- 2. Стрела времени
- 3. Проблема тепловой смерти Вселенной и флуктуационная гипотеза Больцмана.
- Лекция 9. Электромагнитная картина мира (эмкм)
- 1. Основные экспериментальные законы электромагнетизма.
- 2. Теория электромагнитного поля д. Максвелла
- 3. Электронная теория Лоренца.
- Лекция 10. Специальная теория относительности. Основные идеи общей теории относительности
- 1. Проблема равноправия инерциальных систем отсчета и мирового эфира.
- 2. Постулаты и основные следствия сто
- 3. Относительность промежутка времени:
- 3. Основные идеи общей теории относительности.
- 1. Свойства пространства-времени зависят от движущейся материи.
- 2. Луч света, обладающий инертной, а, следовательно, и гравитационной массой, должен искривляться в поле тяготения.
- 3. Частота света под действием поля тяготения должна смещаться в сторону более низких значений.
- 4. Основные понятия и принципы эмкм
- Лекция 11. Квантово-полевая картина мира (кпкм)
- 1. Формирование идеи квантования физических величин
- 2. Корпускулярно-волновой дуализм света и вещества.
- 3. Соотношения неопределенностей Гейзенберга
- 4. Основные понятия и принципы кпкм
- Лекция 12. Многообразие и единство мира
- 1. Структурные уровни материи
- 2. Элементарные частицы, фундаментальные частицы и частицы – переносчики фундаментальных взаимодействий
- 3. Атомное ядро
- 4. Молекулы и реакционная способность веществ.
- 5. Макроскопические тела. Фазовые переходы.
- Лекция 13. Мегамир, основные космологические и космогонические представления (I)
- 1. Основные представления о мегамире
- 2. Солнечная система
- 3. Гипотезы о происхождении планет Солнечной системы
- Лекция 14. Мегамир. Основные космогонические представления (II)
- 1. Звезды, их характеристики, источники энергии
- 2. Галактики и метагалактики
- 3. Структура и геометрия Вселенной
- Лекция 15. Мегамир, основные космогонические представления (III)
- 1. Эволюция звезд
- 2. Возникновение Вселенной. Теория Большого Взрыва
- 3. Антропный принцип.
- Лекция 16. Химическая эволюция Земли
- 1. Химическая эволюция Земли
- 2. Понятие самоорганизации в химии.
- 3. Общая теория химической эволюции и биогенеза
- Лекция 17. Специфика живого
- 1. Предмет изучения, задачи и методы биологии
- 2. Специфика и системность живого
- 3.Уровни организации живых систем
- Лекция 18. Термодинамика живых систем. Жизнь как информационный процесс.
- 1. Термодинамика живых систем
- 2.Управление и регулирование в живых системах 2.1 Задачи управления и регулирования
- 2.2 Информационные связи внутри организма
- 2.3 Цели и специфика управления в живых системах
- Лекция 19. Концепция эволюции в биологии
- 1. Эволюционная теория Дарвина – Уоллеса
- 2 Современная (синтетическая) теория эволюции
- Лекция 20. Человек
- 1. Место человека в системе животного мира и антропогенез
- 2. Основные этапы развития человека разумного
- 3. Дифференциация на расы. Расы и этносы
- 4. Эколого-эволюционные возможности человека
- 5. Биосоциальные основы поведения
- Лекция 21. Биосфера и цивилизация
- 1. Биосфера и место человека в биосфере
- 2. Антропогенный фактор и глобальные экологические проблемы
- 3. Негэнтропийный взгляд на экологические проблемы
- Лекция 22. Основные концепции и перспективы биотехнологии
- 1. Микробиология
- 2. Инженерная энзимология
- 3. Перспективы биотехнологии и проблемы биологической безопасности. Биоэтика
- 3.1. Генная и клеточная инженерия
- 3.2. Евгеника
- 3.3. Клонирование
- 3.4. Расшифровка генома человека
- 3.5. Биоэтика
- Контрольные вопросы
- Литература
- Лекция 23. Принципы симметрии в научной картине мира
- 1. Понятие симметрии
- 2. Симметрия пространства – времени и законы сохранения
- 3. Симметрия и асимметрия живого
- 4. Нарушение симметрии как источник самоорганизации
- Лекция 24. Эволюционно-синергетическая парадигма
- 1. Концепция самоорганизации в науке
- 2. Основные понятия и принципы синергетики
- Лекция 25. Эволюционно-синергетическая парадигма (продолжение)
- 1. Примеры самоорганизации в неживой природе
- 2. Самоорганизация в социальных системах
- Лекция 26. Естествознание в мировой культуре
- 1. Проблема двух культур
- 2. Перспективы интеграции знаний в науке будущего
- Рабочая программа по учебной дисциплине "Концепции современного естествознания" для направлений 521500, 521600, 522000, специальностей 060300,060400,060800,0,6100, 061400
- 1. Цели и задачи курса
- 2. Требования к знаниям
- 3. Структура и объем курса
- 4. Содержание дисциплины
- Тема 1. Две культуры как отражение двух типов мышления
- Тема 2. Физика глазами гуманитария. Физические картины мира.
- Тема 3. Физика как целое.
- Тема 4. Жизнь. Биологическая картина мира.
- Тема 5. Биосфера и цивилизация
- Тема 6. Основные концепции и перспективы биологии
- Тема 7. Эволюционно-синергетическая парадигма
- 5. Перечень лабораторных работ (по 4 час.)
- 6. Перечень практических и семинарских занятий
- 7. Расчет часов по темам (для 522000, 061400)
- 8. Методические рекомендации
- 9. Литература
- 4.1 Основная
- 4.2 Дополнительная
- Лабораторная работа №1. Фрактальные структуры в окружающем мире
- 1. Теоретический материал
- 1.1 Фрактальные структуры
- 1.2 Фрактальная размерность
- 1.3. Фрактальные кластеры
- 2. Порядок выполнения работы
- Наверх Лабораторная работа №2. Дискретные модели динамических систем. Клеточные автоматы
- 1. Теоретический материал
- 1.1. Представление сложных динамических процессов в виде дискретных систем
- 1.2. Моделирование процесса роста с помощью клеточного автомата
- 2. Выполнение лабораторной работы