Весь запас энергии сосредоточен в массе органического вещества - биомассе, поэтому интенсивность образования и разрушения органического вещества на каждом из уровней определяется прохождением энергии через экосистему ( биомассу всегда можно выразить в единицах энергии) [5, с. 123] .

Скорость образования органического вещества называют продуктивностью. Различают первичную и вторичную продуктивность.

Энергия поступает в живую составляющую экосистемы через продуценты. Скорость накопления энергии продуцентами в форме органического вещества, которое может быть использовано в пищу, называется первичной продукцией. Этим показателем определяется общий поток энергии через живую составляющую экосистемы, а значит, и количество (биомасса) живых организмов, которые могут существовать за ее счет в экосистеме.

В первичной продуктивности различают валовую и чистую продуктивность. Валовая первичная продуктивность - это скорость, с которой растения накапливают химическую энергию при фотосинтезе. Часть ее - около 20 % - они тратят на дыхание - поддержание собственной жизнедеятельности, которая затем в виде теплоты выделяется в окружающую среду и теряется для экосистемы. Скорость накопления органического вещества продуцентами за вычетом расхода на дыхание называется чистой первичной продуктивностью. Это энергия, которую могут использовать организмы следующих трофических уровней.

Поступившая на уровень консументов любого уровня энергия распределяется следующим образом (рис. 1, приложение 1).

Скорость накопления органического вещества на уровнях консументов называется вторичной продуктивностью. Это энергия, которую могут использовать консументы следующего трофического уровня.

Из рассмотренного механизма передачи энергии по цепи живого вещества в экосистеме видно, что в каждом звене пищевой цепи часть энергии - около 90 % - теряется. Поэтому длина пищевой цепи огра-ничивается размерами этих потерь и, как правило, составляет 3 - 4 уровня.

При этом с повышением трофического уровня его биомасса снижается, так как, во-первых, если фитофаги будут потреблять больше биомассы, чем ее производят продуценты, что например, имеет место при избыточном выпасе, то популяция продуцентов в конце концов исчезнет; во-вторых, существенная доля потребляемой консументами биомассы не усваивается и возвращается в экосистему в виде экскрементов, а из той, что усваивается, лишь несколько процентов идет на создание биомассы. Таким образом, в естественных экосистемах на высших трофических уровнях не может быть большой биомассы. Именно как нарушение этого закона следует рассматривать демографический взрыв популяции человека на планете Земля или фрагменты фантастических фильмов, когда по безжизненной каменной поверхности космического объекта бродят громадные чудовища [5, с. 143].

В результате последовательности превращений энергии в пищевых цепях каждое сообщество живых организмов в экосистеме приобретает определенную трофическую структуру. Трофическая структура сообщества отражает соотношение между продуцентами, консументами (отдельно первого, второго и т.д. порядков) и редуцентами, выраженное или количеством особей живых организмов, или их биомассой, или заключенной в них энергией, рассчитанных на единицу площади в единицу времени. Графически трофическую структуру сообщества представляют в виде пирамиды. Основанием пирамиды служит первый трофический уровень - уровень продуцентов, а последующие уровни образуют следующие этажи пирамиды. При этом высота всех блоков-этажей - одинакова, а длина пропорциональна числу, биомассе или энергии на соответствующем уровне (рис. 2, приложение 2).

В зависимости от того, количественное соотношение каких величин отражает пирамида, она называется пирамидой чисел, биомасс или энергий. Такие пирамиды-соотношения используются в практических расчетах при обосновании, например, необходимых площадей под сельскохозяйственные культуры с тем, чтобы обеспечить кормами выращиваемое поголовье скота и далее реализовать определенный объем мясной продукции, выручив за это материальные средства. Такая задача интересна, в частности, фермеру.

Пирамиды чисел и биомасс отражают статику системы, то есть характеризуют количество или биомассу организмов в определенный промежуток времени. Они не дают полной информации о трофической структуре экосистемы, хотя также позволяют решать ряд практических задач, особенно связанных с сохранением устойчивости экосистем. Пирамида чисел позволяет, например, рассчитывать допустимую численность отстрела животных в охотничий период без последствий для нормального функционирования экосистемы [1,с . 132].

Реальные пищевые цепи в естественных условиях могут быть очень ветвистыми. Множество трофических цепей, переплетаясь в экосистеме, образуют сложные пищевые цепи.

Для естественных трофических цепей можно построить пирамиды чисел и биомасс, для построения пирамиды энергий часто не хватает исходных данных.

Из количественных оценок, связанных с энергией, для трофических цепей известно правило десяти процентов: с одного трофического уровня экологической пирамиды энергий на другой в среднем переходит около 10 % энергии, поступающей на предыдущий уровень. Пирамида энергий является наилучшим графическим изображением трофической структуры экосистемы, поскольку она отражает динамику системы, то есть скорость прохождения энергии через пищевую цепь. Имея теперь представление о трофической структуре экосистем, выясним, чем определяется реальная продуктивность экосистемы, поскольку именно этот "конечный результат" представляет для нас интерес.

В любой экосистеме происходит образование биомассы и ее разрушение, причем эти процессы всецело определяются жизнью низшего трофического уровня - продуцентами. Все остальные организмы только потребляют уже созданное растениями органическое вещество и, следовательно, общая продуктивность экосистемы от них не зависит.

В зеленых тканях растений осуществляется два параллельных, но противоположных процесса - фотосинтез и дыхание. При фотосинтезе вещество создается, энергия накапливается, а при дыхании часть накопленных веществ и энергии расходуется. Поэтому дыхание рассматривается как некоторая мера энергии, выносимой из сообщества, в то время как увеличение биомассы и есть продуктивность [5,с . 187].

Оценивая продуктивность экосистемы, зависящую от соотношения П/Д, необходимо учитывать как утечки энергии, связанные со сбором урожая, загрязнением среды, неблагоприятными климатическими условиями и с другими типами стрессовых воздействий, способствующих отведению энергии от процесса продукции - увеличению Д, так и поступления энергии, которые увеличивают продуктивность П, компенсируя потери тепла при дыхании - при "откачивании неупорядоченности", необходимом для поддержания биологической структуры.

Таким образом, для обеспечения энергией всех особей сообщества живых организмов экосистемы необходимо определенное количественное соотношение между продуцентами, консументами разных порядков, детритофагами и редуцентами. Однако для жизнедеятельности любых организмов, а значит и системы в целом, только энергии недостаточно, они обязательно должны получать различные минеральные компоненты, микроэлементы, органические вещества, необходимые для построения молекул живого вещества.

Вопрос 38. Круговорот азота

При гниении органических веществ значительная часть содержащегося в них азота превра­щается в аммиак, который под влиянием живущих в почве н и  трифицирующих бактерий окисляется затем в азотную кис­лоту. Последняя, вступая в реакцию с находящимися в почве карбонатами, например с карбонатом кальция СаСОз, образует нитраты [1,с . 177]:

2HN0з + СаСОз = Са(NОз)2 + СОС + Н0Н

Некоторая же часть азота всегда выделяется при гниении в свободном виде в атмосферу. Свободный азот выделяется также при горении органических веществ, при сжигании дров, каменного угля, торфа. Кроме того, существуют бактерии, которые при .недо­статочном доступе воздуха могут отнимать кислород от нитратов, разрушая их с выделением свободного азота. Деятельность этих де ни трифицирующих бактерий приводит к тому, что часть азота из доступной для зеленых растений формы (нитраты) пере­ходит в недоступную (свободный азот). Таким образом, далеко не весь азот, входивший в состав погибших растений, возвращается обратно в почву; часть его постепенно выделяется в свободном виде.

Непрерывная убыль минеральных азотных соединений давно должна была бы привести к полному прекращению жизни на Земле, если бы в природе не существовали процессы, возмещаю­щие потери азота. К таким процессам относятся прежде всего про­исходящие в атмосфере электрические разряды, при которых всегда образуется некоторое количество оксидов азота; последние с водой дают азотную кислоту, превращающуюся в почве в ни­траты. Другим источником пополнения азотных соединений почвы является жизнедеятельность так называемых азотобактерий, способных усваивать атмосферный азот. Некоторые из этих бак­терий поселяются на корнях растений из семейства бобовых, вы­зывая образование характерных вздутий — «клубеньков», почему они и получили название клубеньковых бактерий. Усваи­вая атмосферный азот, клубеньковые бактерии перерабатывают его в азотные соединения, а растения, в свою очередь, превращают последние в белки и другие сложные вещества.

Таким образом, в природе совершается непрерывный круговою рот азота. Однако ежегодно с урожаем с полей убираются наиболее богатые белками части растений, например зерно. Поэтому в почву необходимо вносить удобрения, возмещающие убыль в ней важнейших элементов питания растений.

Изучение вопросов питания растений и повышения урожайно­сти последних путем применения удобрений является предметом специальной отрасли химии, получившей название агрохимии. Большой вклад в развитие этой науки внесен французским ученым Ж. Б. Буссенго (1802—1887), немецким химиком Ю. Либихом (1803—1873) и русским ученым Д. Н. Прянишниковым.

Вопрос 48. Антропогенные факторы

Человек в процессе жизнедеятельности непрерывно взаимодействует со средой обитания, со всем многообразием факторов, характеризующих среду. Многие факторы среды обитания оказывают негативное воздействие на здоровье и жизнь человека. Степень негативного воздействия определяется уровнем их энергии, под которой понимается количественная мера различных форм движения материи. В настоящее время перечень известных форм энергии существенно расширился: электрическая, потенциальная, кинетическая, внутренняя, покоя, деформированного тела, газовой смеси, ядерной реакции, электромагнитного поля и т.д [1, с. 177].

Всем формам энергии свойственна закономерность превращения их в другие формы. Все явления связаны законом сохранения энергии и тенденцией к снижению уровня энергии за счет перехода в другие формы. Снижение уровня энергии связано с выходом (утечкой) энергии. Неконтролируемый выход энергии порождает негативные факторы в окружающей среде. Источники энергии подразделяются на природные и антропогенные. К природным источникам относятся молнии, извержения, землетрясения, атмосферные явления (ураганы, смерчи и т.п.) и другие. Антропогенные источники создаются человеком. В ходе научно-технической революции появились источники, обеспечивающие очень высокие уровни энергии, существенно расширился перечень известных форм энергии и их характеристика.

Бурный рост энерговооруженности труда повлек расцвет энергетики и разработки энергетических ресурсов. В обществе появились колоссальные энергосистемы, представляющие совокупность источников энергии и устройств для ее передачи и распределения. Концентрация в современном производстве источников энергии, высокие уровни энергии, использова­ние ранее неизвестных форм энергии определяют растущую актуальность и важность проблемы безопасности в современном производстве. Высокие уровни используемой энергии, многообразие форм энергии существенно увеличили вероятность неконтролируемого выхода энергии, опасность воздействия негативных факторов на человека. Эту тенденцию можно характеризовать энтропией источника энергии, понимая под энтропией вероятность пребывания системы в данном состоянии: чем выше уровень энергии объекта, тем меньше его энтропия. При отсутствии энергетического источника энтропия объекта приобретает максимальное значение, и обеспечивается наибольшая вероятность пребывания объекта в этом состоянии.

Разнообразие форм энергии порождает многообразие факторов среды обитания человека, воздействующих на его здоровье. Все многообразие производственных факторов согласно ГОСТ 12.0.003-74 подразделяют на несколько групп: физические, химические, биологические и психофизио­логические. К физическим опасным и вредным факторам относятся: движущиеся машины и механизмы, повышенная запыленность и загазованность, повышенная или пониженная температура, повышенный уровень шума, вибрации, ультразвука, повышенное или пониженное барометрическое давление, повышенная или пониженная влажность, подвижность воздуха, повышенный уровень ионизирующих или электромагнитных излучений и т.д. Химические опасные и вредные факторы подразделяются на токсические, раздражающие, сенсибилизирующие, канцерогенные, мутагенные.

Деятельность - это процесс взаимодействия человека с природой и антропогенной средой. Совокупность факторов, влияющих на человека в процессе деятельности (труда) в производстве и в быту, составляют условия деятельности (труда). Причем действие факторов условий может быть благоприятным и неблагоприятным для человека. Воздействие фактора, могущее составить угрозу жизни или ущерб здоровью человека, называется опасностью. Практика свидетельствует, что любая деятельность потенциально опасна. Это аксиома о потенциальной опасности деятельности.

Каждое производство характеризуется своим комплексом опасных и вредных факторов, источниками которых являются оборудование и технологические процессы. Современное машиностроительное предприятие, как правило, включает литейные и кузнечно-прессовые, термические, сварочные и гальванические, а также сборочные и окрасочные цеха.

Основными производственными факторами в литейных цехах являются: пыль, выделяющиеся пары и газы, избыточная теплота, повышенный шум и вибрация, электромагнитные излучения, повышенное напряжение в электрических цепях, движущиеся машины и механизмы. Пыль литейных цехов в основном мелкая (до 62-87%) с размером пылинок до 2 мкм. Большая часть пыли составляет диоксид кремния, входящий в формовочные и стержневые смеси. К газам и парам, загрязняющим воздух литейных цехов, относят: акролеин, ацетон, ацетилен, бензол, оксид азота и углерода, выделяющийся при плавке. Значительная избыточная теплота выделяется технологическим оборудованием, примерно 14-62% общего расхода теплоты на расплавление металла. Интенсивность теплового потока на ряде рабочих мест достигает 0,5-11 кВт/м². Значительная часть оборудования литейных цехов является источником высокой звуковой мощности.

В кузнечно-прессовых цехах в воздухе имеют место масляные аэрозоли, продукты сгорания смазки, сернистый газ, оксид углерода, сероводород и др. Концентрация пыли в воздухе рабочей зоны достигает 3,9-138 мг/м³ около прессов и молотов. В цех попадает до 10% количества вредных веществ от сгорания топлива. Интенсивность теплового потока у нагревательных печей, прессов и молотов составляет 1,4-2,1 кВт/м². Амплитуда вибрации фундамента молота составляет 0,56-1,2 мм. Опасность поражения током возникает у нагревательных печей, потребляющих мощности 15-330 кВт при напряжении 50-80 В. У печей индукционного нагрева напряженность магнитного поля (8-10 А/м) превышает допустимые величины. Большое количество движущихся механизмов, перемещаемых материалов создают опасность травмирования работающих [4, с. 34].

Характеристики опасных и вредных факторов при термической обработке определяются используемым оборудованием, видом термической обработки, применяемыми рабочими средами. Токсичными газами в термических цехах являются оксид углерода, аммиак, диоксид серы, сероводород, бензол, цианид. На ряде рабочих мест интенсивность теплового потока составляет 1,11-3,13 кВт/м². В электротермическом оборудовании используется повышенное значение напряжения. На высокочастотных установках имеет место повышенная напряженность электрического и магнитного полей. Толкательные печи, дробеструйные установки, газовые горелки создают высокий уровень шума. Использование в термических цехах контролируемых атмосфер, печей-ванн, масел для нагрева и охлаждения сопряжено со взрыво-пожароопасностью.

В гальванических цехах источниками опасности являются технологические процессы подготовки поверхности, приготовления растворов и электролитов, нанесение покрытий. Методы очистки поверхностей характеризуются повышенной запыленностью, шумом и вибрацией. Используемые для приготовления растворов щелочи, кислоты, соли при воздействии на организм могут вызвать отравление или профзаболевание. Использование ручного виброинструмента для шлифования поверхностей может быть причиной виброболезни. Работа на ультразвуковых ваннах очистки сопряжена с воздействием на работающего звуковых и ультразвуковых колебаний.

Сварочное оборудование является источником повышенной запыленности и загазованности, ультрафиолетового и инфракрасного излучения, электромагнитных полей, ионизирующих излучений, шума и ультразвука. Сварочные аэрозоли содержат окислы различных металлов, а также токсичные газы (оксиды углерода, озон, фтористый водород, оксиды азота и др.). Сварочная дуга является источником инфракрасного и ультрафиолетового излучения. Высокочастотная сварка сопровождается образованием электромагнитных полей, а при работе электронно-лучевых установок возникают ионизирующие излучения. К опасным факторам сварочных процессов следует отнести электрический ток, искры и брызги расплавленного металла, возможность взрыва баллонов.

Вопрос 58. Натуральные наблюдения и эксперименты при изучении экосистем

Фундаментальные исследования имеют основополагающее значение для реализации концепции устойчивого развития, разработки эффективных стратегий природопользования и принятия взвешенных управленческих решений и особенно важны в отношении бореальных экосистем, общим свойством которых являются изначально низкие показатели разнообразия биоты и повышенная реактивность в ответе на глобальные изменения природной среды и интенсивное хозяйственное использование. 

Фундаментальные исследования должны быть направлены на: 1) выявление естественных механизмов поддержания экологического равновесия, 2) оценку пределов нагрузки на экосистемы в ходе их хозяйственной эксплуатации и 3) создание на этой основе научно-обоснованных технологий оптимального использования природных ресурсов, обеспечивающих их поддержание, восстановление и контролируемое развитие. 

Фундаментальные исследования экосистем, классифицированные по объекту исследования, развиваются в двух направлениях [6, с. 122]: 

- изучение экосистем как целого;

- изучение биотических компонентов экосистем (микроорганизменных, растительных и животных сообществ, а также человека как биологического вида и элемента биоты). 

Изучение экосистем как целого подразумевает характеристику водных, почвенных, лесных и горных систем различной географической принадлежности как экологических ниш для тех или иных видов животных, растений и микроорганизмов и направлено на выявление механизмов естественного поддержания биоразнообразия и устойчивости экосистем, оценку влияния антропогенного воздействия на природную среду и возможностей коррекции его негативных последствий с целью восстановления экологического равновесия. 

В рамках экосистем отдельно рассматриваются сообщества микроорганизмов, растений и животных, виды и популяции по широкому диапазону генетических, филогенетических, экологических, географических, динамических и др. характеристик. 

В деятельности экологов можно выделить три основные части:

1. Экспериментальная часть включает в себя получение фактических данных при выполнении экспериментов и наблюдений над биологическими системами и начальной систематизации этих сведений.

2. Теоретическая часть развивает основные концепции, позволяющие объединить и объяснить с единых позиций наблюдаемые, так называемые эмпирические закономерности и явления.

3. Математическая часть создает математические модели для проверки основных теоретических концепций, методы обработки экспериментальных данных и предсказания наблюдений.

Объектом изучения популяционной экологии, служит популяция. Популяцию определяют как группу организмов одного вида (внутри которой особи могут обмениваться генетической информацией), занимающую конкретное пространство, функционирующую как часть биотического сообщества. Популяция характеризуется рядом признаков; единственным их носителем является группа, но не особи в этой группе. Важнейшее свойство популяции - плотность, т. е. число особей, отнесенное к некоторой единице пространства. Численность популяции определяется в основном двумя противоположными явлениями - рождаемостью и смертностью, а также зависит от факторов, действующих на популяцию извне.

Необходимым условием для построения содержательных математических моделей является наличие подробной естественнонаучной информации об устройстве и механизмах функционирования биологической системы. Уравнения должны содержать количественные выражения принятых гипотез о специфических экологических процессах (рождаемости, смертности, питании и т.д.). В математическую модель закладываются биологические представления, гипотезы о кинетических свойствах процессов (скоростях роста, размножения, гибели, интенсивностях взаимодействия). Синтезируя эту информацию, модель позволяет изучить качественно и количественно пространственно-временную структуру, формирующуюся в реальной или гипотетической системе, вскрыть причинно-следственные связи.

Развитие математико-экологических моделей можно проследить по эволюции тех научных и прикладных вопросов, для ответа на которые эти модели создавались. Вопросы эти усложнялись по мере развития экологии и совершенствования методики моделирования. Если вначале сами вопросы и результаты математического моделирования представляли отвлеченный теоретический интерес, то в дальнейшем они стали носить конкретный практический характер. Значительная часть работ по моделированию природных экосистем имеет прикладной характер. Эти работы ставят перед собой практические задачи - построение прогнозов поведения во времени реальных биологических систем. Так, например, предприятие, занимающееся разведением рыб в искусственных водоемах заинтересовано в оптимальном регулировании отлова рыб, количества корма, параметров содержания водоемов и многих других, значимых для жизни и воспроизводства рыб факторов. Оно заинтересовано в привлечении экологов и их математических моделей для правильного ведения дел и получения наибольшей прибыли. Другой пример - прогнозирование развития эпидемических заболеваний. Системе здравоохранения нужно заранее планировать скорость распространения болезни, готовить запасы лекарственных препаратов, средств профилактики и защиты, медицинский персонал и проводить другие мероприятия. Этот список практических применений результатов математической экологии можно было бы продолжить.