Энергия, экология и сохранение жизни

 

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

 «Кемеровский государственный  университет»

(ФГБОУ ВПО КемГУ)

 

 

Реферат

«Энергия, экология и сохранение жизни»

 

 

 

 

Выполнил студент:

Котенкова Е.И

Проверил старший преподаватель:

Потокина М.В

 

 

 

 

г.Новокузнецк 2013

 

Содержание

ВВЕДЕНИЕ3

1. Энергия в экологических системах 4

2.Экологическая обстановка, проблемы сохранения жизни на  Земле 8

2.1Космический корабль  Земля 8

2. Зарождение в развитии экологии9

2.3 Экологические проблемы  и пути их решения10

ЗАКЛЮЧЕНИЕ18

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Энергия и экология тесно связаны между собой, т.к. экологическая ситуация напрямую зависит от энергетики в разных её проявлениях. В данной работе мы рассмотрим как энергетика проявляет себя в экологических системах. Так же узнаем о зарождении экологии, её развитии и об основных экологических проблемах и что человечество предпринимает, чтобы от них избавиться.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Энергия в экологических системах

Одной из задач экологии является изучение превращения энергии внутри экологической системы. Усваивая солнечную энергию, зеленые растения создают потенциальную энергию, которая при потреблении пищи организмами превращается в другие формы. Превращения энергии в отличие от цикличного движения веществ идут в одном направлении, почему и говорят о потоке энергии.

С точки зрения изучения потоков энергии важны два начала термодинамики. Первое начало гласит, что энергия не может создаваться заново и исчезать, а только переходит из одной формы в другую. Второе начало формулируется таким образом: процессы, связанные с превращениями энергии, могут протекать самопроизвольно лишь при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную. То, что согласно второму началу энергия при любых превращениях стремится перейти в тепло, равномерно распределенное между телами, дало основания говорить о «старении» Солнечной системы. Характерна ли эта тенденция к энергетическому выравниванию для всей Вселенной, пока не ясно, хотя в XIX веке широко обсуждался вопрос о «тепловой смерти Вселенной».

Общепринятая в физике формулировка второго начала гласит, что в закрытых системах энергия стремится распределиться равномерно, т. е. система стремится к состоянию максимальной энтропии. Отличительной же особенностью живых тел, экосистем и биосферы в целом является способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, т. е. состояния с низкой энтропией.

Свойство живых систем извлекать упорядоченность из окружающей среды дало основания некоторым ученым, в частности Э. Бауэру, сделать вывод, что для этих систем второе начало не выполняется. Но второе начало имеет еще и другую, более общую формулировку, справедливую для открытых, в том числе живых, систем. Она гласит, что эффективность самопроизвольного превращения энергии всегда меньше 100 %. В соответствии со вторым началом поддержание жизни на Земле без притока солнечной энергии невозможно. «Все, что происходит в природе, означает увеличение энтропии в той части Вселенной, где это имеет место. Так и живой организм непрерывно увеличивает свою энтропию, или, иначе, производит положительную энтропию, и, таким образом, приближается к опасному состоянию – максимальной энтропии, – представляющему собой смерть. Он может избежать этого состояния, т. е. оставаться живым, только постоянно извлекая из окружающей среды отрицательную энтропию» (Там же, с. 76).

В экосистемах перенос энергии пищи от ее источника – растений через ряд организмов, происходящий путем поедания одних организмов другими, и называется пищевой цепью. При каждом очередном переносе большая часть (80–90 %) потенциальной энергии теряется, переходя в тепло.

 

Это ограничивает возможное число звеньев цепи до четырех-пяти. Зеленые растения занимают первый трофический уровень, травоядные – второй, хищники – третий и т. д. Переход к каждому следующему звену уменьшает доступную энергию примерно в 10 раз. Переходя к человеку, можно сказать, что если увеличивается относительное содержание мяса в рационе, то уменьшается число людей, которых можно прокормить.

Экологическая пирамида, представляющая собой трофическую структуру, основанием которой служит уровень продуцентов, а последующие уровни образуют ее этажи и вершину, может быть трех основных типов: «1) пирамида чисел, отражающая численность отдельных организмов; 2) пирамида биомассы, характеризующая общий сухой вес, калорийность или другую меру общего количества живого вещества; 3) пирамида энергии, показывающая величину потока энергии и (или) „продуктивность“ на последовательных трофических уровнях» (Ю. Одум. Основы... с. 105). Энергетическая пирамида всегда сужается кверху, поскольку энергия теряется на каждом последующем уровне.

Важнейшей характеристикой экосистемы является ее продуктивность, под которой понимается как рост организмов, так и создание органического вещества. Поглощается лишь около половины всей лучистой энергии (в основном в видимой части спектра), и самое большое около 5 % ее в самых благоприятных условиях превращается в продукт фотосинтеза. Значительная часть (не менее 20 %, а обычно около 50 %) этой потенциальной пищи (чистой продукции) человека и животных расходуется на дыхание растений. Содержание хлорофилла на 1 м2в разных сообществах примерно одинаково, т. е. в целых сообществах содержание зеленого пигмента распределено более равномерно, чем в отдельных растениях или их частях.

Соотношение между зелеными и желтыми пигментами можно использовать как показатель отношения гетеротрофного метаболизма к автотрофному. Когда в сообществе фотосинтез превышает дыхание, доминируют зеленые пигменты, а при усилении дыхания сообщества увеличивается содержание желтых пигментов.

Среди произведенной в процессе фотосинтеза продукции выделяют первичную продуктивность, которая определяется как скорость, с которой лучистая энергия усваивается организмами-продуцентами, главным образом зелеными растениями. Ее разделяют на валовую первичную продукцию, включая ту органику, которая была израсходована на дыхание, и чистую первичную продукцию – за вычетом использованной при дыхании растений. Чистая продуктивность сообщества – скорость накопления органического вещества, не потребленного гетеротрофами. Наконец, скорость накопления энергии на уровне консументов называют вторичной продуктивностью. В соответствии со вторым началом поток энергии с каждой ступенью уменьшается, так как при превращениях одной формы энергии в другую часть энергии теряется в виде тепла. «В более плодородных прибрежных водах первичная продукция приурочена к верхнему слою воды толщиной около 30 м, а в более чистых, но бедных водах открытого моря зона первичной продукции может простираться вниз на 100 м и ниже. Вот почему прибрежные воды кажутся темно-зелеными, а океанские – синими» (Там же, с. 70).

Часть энергии, идущая на дыхание, т. е. на поддержание структуры, велика в популяциях крупных организмов и в зрелых сообществах. Эффективность природных систем много ниже КПД электромоторов и других двигателей. В живых системах много «горючего» уходит на «ремонт», что не учитывается при расчете КПД двигателей. Любое повышение эффективности биологических систем оборачивается увеличением затрат на их поддержание. Экологическая система – это машина, из которой нельзя «выжать» больше, чем она способна дать. Всегда наступает предел, после которого выигрыш от роста эффективности сводится на нет ростом расходов и риском разрушения системы.

Человек не должен стремиться получать более одной трети валовой (или половины чистой) продукции, если он не готов поставлять энергию для замены тех «механизмов самообслуживания», которые развились в природе, чтобы обеспечить долговременное поддержание первичной продукции в биосфере. Прямое удаление человеком или домашними животными более 30–50 % годового прироста растительности может уменьшить способность экосистемы сопротивляться стрессу.[1]

Один из пределов биосферы – валовая продукция фотосинтеза, и под него человеку придется подгонять свои нужды, пока не удастся доказать, что усвоение энергии путем фотосинтеза можно сильно повысить, не подвергая при этом опасности нарушить равновесие других, более важных ресурсов жизненного круговорота.

Замкнутость производственных циклов по энергетически-энтропийному параметру теоретически невозможна, поскольку течение энергетических процессов (в соответствии со вторым началом термодинамики) сопровождается деградацией энергии и повышением энтропии природной среды. Действие второго начала термодинамики выражается в том, что превращения энергии идут в одном направлении в отличие от цикличного движения веществ.

 

2. Экологическая обстановка, проблемы сохранения жизни на Земле

 2.1 Космический корабль Земля

В течение многих тысяч лет человеческая деятельность не наносила природе заметного ущерба. Если в какой –либо местности истощались ресурсы, люди откочевывали в другие районы. Там они выжигали лес и возделывали

освободившиеся участки, или находили иное пропитание. В сообществах охотников-собирателей существовала полная гармония между потребностями

человека и возможностями природы; такой уклад жизни сохранился и по сей день у бушменов Калахари, аборигенов Австралии и эскимосов.

Серия технологических революций, которые претерпела история человечества, нарушили равновесие между человеком и природой. Возникновение 10000 лет назад земледелия и животноводства привело к быстрому росту населения, в результате которого постепенно появились первые крупные поселения. Затем произошли дальнейшие революционные сдвиги в технологии добывания пищи, здравоохранении и промышленности, превратившие мизерное по началу население земного шара в огромное технически оснащенное общество, которому требуется все больше сырья и энергии. В шестидесятые годы XX века, когда люди впервые покинули планету,

появилась первая возможность взглянуть на Землю из космоса, после чего все

ясно осознали, что возможности для роста населения и ресурсы Земли не беспредельны.

Итак, экологи пришли к заключению, что Земля – это космический корабль, оснащенный всем необходимым для длительного полета, но не имеющий никаких иных источников энергии, кроме собственных, а также лучистой энергии ближайшей звезды – Солнца. [2]

 Считается, что жизнь  на Земле существует примерно 5 млрд. лет и нет никаких оснований  опасаться, что она не просуществует  по крайней мере еще столько  же, если мы сами не уничтожим  ее.

Энергия, необходимая для жизни, поступает на Землю в основном в виде

солнечного излучения, которое используется зелеными растениями для фотосинтеза, а от них поступает далее в пищевые цепи, и следовательно, управляет биогеохимическими циклами. Кроме того, солнечная энергия определяет климатическую зональность планеты и океанические течения, т.е.

непосредственно влияет на среду обитания живых существ.

 Экология ( от греч. oikos - дом, жилище, местоприбывание  и  ...логия  - наука, знание, учение), -  наука о взаимоотношениях организмов   между   собой и  с  окружающей  средой.  Современная  экология  изучает  так  же  проблемы взаимодействия человека и биосферы. [3]

2.2. Зарождение и развитие  экологии

Термин "экология" предложил в 1866  году  немецкий  зоолог  Э.Геккель, определив экологию как "общую науку об отношениях  организмов  к  окружающей среде..."

      Предыстория  экологии восходит к  трудам  философов  Древней  Греции  и  рима.    Ценные    экологические    наблюдения    содержатся    в    работах естествоиспытателей 18 века (особенно К.Линнея, Ж.Бюффона  и  И.И.Лепёхина).

На формирование науки в первую  очередь  оказали  влияние  труды  в  которых  изучался образ жизни организмов, а также зависимость  их  распространения  и развития от различных факторов среды.

      Для  развития  экологии  в  России  большое  значение   имели   работы  К.Ф.Рулье , в  которых  подчёркивалась  необходимость  изучения  животных  во взаимодействии  с  другими  организмами   и   абиотической   средой;   особо отличалась   также   роль   тех   условий,   которые   создаются   человеком (антропогенный фактор). [4]

      Решающее  влияние на формирование экологии  как  самостоятельной науки оказано "Происхождение видов.." Ч.Дарвина (1859г.),  в  которой  подчёркнута  важность  изучения  механизмов  борьбы  за  существование,  внутревидовых  и межвидовых взаимоотношений. Под  непосредственным  влиянием  Дарвина  Геккель пришёл к выводу о  необходимости  выделения экологии  в  особую дисциплину.

      В последние   десятилетие   экология  развивалась  под  влиянием  и  при участии  многих  учёных  из Германии, Дании, США, Швейцарии, России и др.

   В нашей стране  огромное  влияние  на  экологическое  мышление  оказало учение  о  биосфере,  которое  создал  в  20-30  гг  20  века  учёный   В.И. Вернадский. В середине 20 века  его идеи стали особенно актуальны  в  связи  с усилившимся воздействием  человека на  природу .

      В 60-70-х гг  наблюдался бурный рост экологических  исследований во всём мире. Причина  его, во-первых,- в зрелости  самой  науки,  чётком  определении объектов  и  методов  исследований;  во-вторых,  экология  приобрела особое значение  как научная основа рационального  природопользования и охраны  живых организмов, а сам термин "экология" - более широкий смысл

2.3 Экологические проблемы  и пути их решения

Сейчас человечество стоит перед выбором: либо «сотрудничать» с природой, учитывая естественные круговороты, либо — наносить вред. Будущее человечества на нашей планете, как и самой планеты, зависит от того, что мы сегодня выберем.