38

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО ТРАНСПОРТА

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Сибирский государственный университет водного транспорта»

ФГБОУ ВО «СГУВТ»

ЭКОЛОГИЯ

Конспект лекций

В.В.ТУРБИНСКИЙ

Новосибирск 2015

УДК 502.1(07)Т

Турбинский В.В. Экология: конспект лекция / Новосиб. гос. акад. вод. Трансп. - Новосибирск: НГАВТ, 2015.

Конспект лекций составлен на основании Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования, учебного плана и рабочей программы по дисциплине "Экология" для специальностей "Комплексное использование и охрана водных ресурсов " - шифр 280302; «Гидротехническое строительство» - шифр 270104.. Конспект лекций включает в себя основные положения общих принципов функционирования биосферы, экологических основ безопасности производств, нормативы воздействия на окружающую среду.

Рецензенты: Доцент кафедры Водных изысканий и гидроэкологии, НГАВТ, канд.хим.наук С.Я.Тарасенко

Ведущий научный сотрудник отдела гигиены окружающей среды и здоровья населения, ФБУН "Новосибирский НИИ гигиены" Роспотребнадзора, канд.техн.наук, доцент В.А.Хмелёв

© Турбинский В.В., 2015

© ФГОУ ВПО «НГАВТ», 2015



1. Введение

Термин "экология" (от греч. ecos или oikos -- жилище, среда и logos -- наука) предложил немецкий зоолог-эволюционист Э. Геккель в 1866 г. В книге "Всеобщая морфология организмов" он рассматривал экологию как биологическую науку о взаимоотношениях растительных и животных организмов, образуемых ими сообществ между собой и окружающей средой. Заслуга Э. Геккеля состоит в том, что он выделил экологию как самостоятельную отрасль биологической науки и рассмотрел взаимоотношения живого и неживого мира на видовом уровне.

Известный ученый-эколог академик Н.П. Наумов в книге "Экология животных" (1963) указывал, что "взаимодействие организмов со средой изучается каждой биологической наукой в своей отрасли". Например, ботаника исследует это взаимодействие среди растительного, зоология -- среди животного мира. Гидробиология прослеживает взаимодействие живых существ и воды и др. Н.П. Наумов подчеркивал также, что "экология имеет дело только с той стороной взаимодействия организма и среды, которая обусловливает размножение и выживание организмов, структуру и динамику создаваемых ими популяций, отдельных видов и, наконец, структуру и динамику ассоциаций разных видов". То есть, по Н.П. Наумову, экология как биологическая наука занимается изучением вопросов взаимодействия с окружающей средой всех представителей растительного и животного мира.

Основными разделами экологии человека являются:

1. Экология водных объектов. В этом разделе научно обосновываются нормативы качества воды для хозяйственно-питьевого водоснабжения, обеспечивающего население безопасной в эпидемическом отношении, безвредной по химическому составу и благоприятной по органолептическим свойствам водой, а также устанавливается норма хозяйственно-питьевого водоснабжения в населенном пункте для обеспечения основных гигиенических функций воды. Рассматриваются вопросы о выборе наилучших источников водоснабжения, удовлетворяющих потребность населения в доброкачественной питьевой воде. Приведены методы обработки воды и обоснован выбор оптимальных, принципиальных схем водоснабжения населенных пунктов и отдельных объектов для обеспечения населения достаточным количеством доброкачественной питьевой воды. Определены гигиенические требования, которые следует выполнять при размещении оборудования и в процессе эксплуатации водопроводных сооружений и сетей для обеспечения качественной питьевой водой.

2. Экология почвы. Этот раздел изучает источники и условия загрязнения почвы химическими и биологическими веществами. Научно обосновывает предельно допустимые концентрации экзогенных химических веществ (ПДК ЭХВ) в почве, исследует миграцию загрязнений в приземный слой атмосферы, накопления вредных веществ в продуктах растительного происхождения. Обосновывает санитарные требования к очистке населенных пунктов для создания в них здоровых условий жизни.

3. Экология атмосферного воздуха. Изучает источники загрязнения атмосферы и условия, влияющие на интенсивность и дальность распространения атмосферных загрязнений. Научно обосновывает концентрации атмосферных загрязнений, которые являются безвредными для здоровья населения и не нарушают санитарно-бытовых условий проживания (предельно допустимые максимально разовые ПДК_м.р. и среднесуточные концентрации -- ПДК_сс). Обосновывает гигиенические требования к размещению и эксплуатации народнохозяйственных объектов, которые являются источниками загрязнения атмосферы, для предупреждения появления в воздухе селитебных территорий концентраций атмосферных загрязнений, превышающих гигиенические нормативы.

4.Экологические физические факторы населенных мест. Изучает влияние на здоровье и условия жизни населения таких физических факторов, как шум, вибрация, электромагнитные поля и т. д. Научно обосновывает ПДУ и другие мероприятия по предупреждению неблагоприятного воздействия физических факторов на здоровье и проживание населения в условиях населенных пунктов.

На современном этапе человечество поставлено перед фактом возникновения в природе необратимых процессов, новых путей перемещения и превращения энергии и вещества. В природу внедряются все больше и больше новых веществ, чуждых ей, порой сильно токсичных для организмов. Накопление промышленных отходов в атмосфере, воде, почве способствует заболеванию людей, ускорению коррозии машин и механизмов, снижению урожайности сельскохозяйственных культур и продуктивности животноводства, ухудшению состояния экологических систем, исчезновению отдельных видов животных и растений.

Инженеры решают задачи охраны окружающей среды непосредственно в условиях интенсивного развития производства, когда при наличии множества экологических проблем необходимо обеспечить технологическое и производственное развитие отрасли, территории. На основе сведений, полученных при изучении химических, инженерных и специальных дисциплин с учетом знаний основных свойств атмосферы, гидросферы и литосферы, они должны прогнозировать опасность для экологического разнообразия животных и растительных организмов, состояния здоровья человека технических проектов гидротехнического строительства, уметь обосновать технико-экономические требования к проектным решениям по обеспечению охраны окружающей среды при гидротехническом строительстве, выбирать наиболее адекватные экологической обстановке средства контроля за состоянием окружающей среды, разрабатывать экологически менее опасные технологий ведения гидротехнических работ, осуществлять производственный контроль за эффективностью мероприятий по охране окружающей среды от неблагоприятного воздействия гидротехнических объектов.

В настоящем курсе лекций рассматриваются основы общей биологии и экологии, вопросы закономерностей функционирования экологических систем, их реагирования на воздействия производственной деятельности человека, контроля и управления качеством природной среды.

Контрольные вопросы:

1. Видовые взаимоотношения живого и неживого мира.

2. Экология и выживание организма.

3. Экология водных объектов.

4. Экология почвы.

5. Экология атмосферного воздуха.

6. Предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ в окружающей среде.

7. Экологические физические факторы.

8. Роль инженера в экологии человека и животных.



2. История эволюция биосферы

За время существования Земли условия на её поверхности постоянно изменялись. Геология и палеогеография доказывают, что наша планета прошла сложный путь развития. На этом длинном пути на её поверхности менялись положения полюсов, передвигались участки земной коры, континенты то сливались в единые материки, то снова разделялись, изменялись площадь и глубины Мирового океана, как и площади суши, активизировалась и затухала тектоническая активность и сопровождающая её вулканическая деятельность, на поверхность планеты время от времени падали гигантские космические тела, возникали и разрастались, а затем исчезали огромные ледниковые покровы. И все же самым удивительным в этом калейдоскопе событий, продолжавшемся на протяжении около 4 млрд.лет, было то, что все изменения происходили в сравнительно узком диапазоне физических характеристик, от которых зависит существование жизни. Об этом свидетельствует ни когда не замерзавший и не кипевший за всю известную геологическую историю нашей планеты океан и постоянно присутствующая биота, первоначально существовавшая только в океане (на протяжении не менее 4/5 всей известной геологической истории Земли).

Наиболее полно эволюция Земли изучена за последний геологический отрезок времени - фанерозойской зоны начавшийся 650 млн.лет назад. Хотя в течении фанерозоя на Земле происходили те же явления, о которых говорилось выше, тем не менее этот период был одним из самых стабильных за всю историю планеты, что подтверждает такая характеристика, как средняя глобальная температура у поверхности планеты: за этот огромный отрезок времени все изменения средней глобальной температуры укладываются в десятиградусный диапазон. Есть все основания полагать, что эволюция условий на поверхности Земли шла в направлении большего обеспечения стабильности и меньшего размаха колебаний характеристик окружающей среды, которые обеспечивали оптимальные условия для существования жизни.

Важным является и то, что коацерваты со временем приобрели способность к избирательному поглощению веществ из окружающего раствора и выделения в него ненужных им соединений. Этот момент знаменует собой начало обмена веществ, возникновение процессов переноса энергии, обмена информацией. Первые остатки жизни обнаружены в слоях литосферы, образовавшихся около 3 млрд. лет назад.

Дальнейшее усложнение жизни связано с развитием многоклеточности. Одной из наиболее разработанной и признанной гипотезой возникновения многоклеточности является так называемая колониальная. Считается, что колониальность возникает в результате не вполне законченного бесполого размножения: клетка разделилась, но дочерние части не разошлись. Причем, если сначала обе клетки были одинаковыми, то в дальнейшем между ними возникли определенные различия, определив так называемую функциональную специализацию - ассимиляция., подвижность, выделение, воспроизводство и др.

Круговорот органического вещества постепенно сменился круговоротом биологическим, который заключается в непрерывном обмене веществ и энергий между организмом и средой, в процессах возникновения и разрушения организмов.

Проникновение жизни в области Земли с разными физико-химическими условиями потребовало приспособления к новым динамическим условиям, что неизбежно было связано с гибелью части организмов, с дальнейшими процессами естественного отбора и эволюции.

Человеческое общество со всеми его особенностями есть один из последовательных этапов развития жизни на Земле. В тоже время, человечество превратилось в достаточно мощную силу, которая сознательно, целенаправленно и необратимо меняет всю окружающую среду, включая околоземное космическое пространство.

Рисунок 1 Основные этапы развития биосферы

Появление человека само по себе не нарушило стабильности окружающей среды пока он занимался собирательством. Но когда человек перешел от собирательства и охоты к сельскому хозяйству и скотоводству, что обеспечило определенный экономических рост и рост численности людей, он начал заметно изменять и природную среду, используя энергию животных, воды и огня, получаемого тогда путем сжигания древесины. Изменению подвергались естественные степные и лесные сообщества, которые человек трансформировал в агроценозы.

Особенно интенсивно этот процесс шел в таких центрах цивилизации, как Китай, Индия и Среднеземноморье. Вместе с земледелием возникла и ирригация широко применявшаяся в Египте, Месопотамии, Индии и Китае. За всю историю существования человечества бы использовано, а затем заброшено около 2 млрд.га земли, в том числе в результате эрозии и засоления почвы. Согласно данным института Мировых ресурсов в последние годы прослеживается тенденция нарастания темпов сокращения залесенной территории Земли. Площади лесов в Европе за период 1850-1980г.г. практически не изменилась, оставаясь около 1.6 млн.км2 при общей площади территории 4.7 млн.км2. Но до 17 века 70-80% территории Европы было покрыто лесами. Русская равнина общей площадью 4.6млн.км2 к началу 18 века более чем на половину (2.4 млн.км2) была покрыта лесом. К 1970 г площадь лесов здесь сократилась до 1,5 млн.км2. Всего за время цивилизации по оценкам ученых общая площадь лесов сократилась на 37%.

Началом промышленной революции можно считать 1830-е годы - период строительства железных дорог в Англии. Примерно через 100 лет промышленную сменила научно-техническая революция. Начался стреми тельный экономических рост и столь же стремительных рост населения. За время двух революций спектр воздействия человека на природу существенно расширился: к сокращению лесов, эрозии и засолению почв добавились постоянные и аварийные физико-химические воздействия на все геосферы - воздух, воду, почву и биоту. Под влиянием этих воздействий изменения стали происходить уже не при жизни нескольких поколений людей, как это было со сведением лесов, а на глазах одного поколения. При этом, физико-химические воздействия стал непосредственно ощущать и сам человек: загрязненный воздух городов, нечистоты, сливаемые в реки и т.п. начали ощутимо влиять на здоровье населения, на животных и растительность. Но в начале это были также чисто локальные нарушения в районах растущих индустриальных центров. В результате уже в конце 19 начале 20 века создаются первые местные обществ по охране окружающей среды. Естественно, они возникли в быстро развивающихся промышленных странах - в Великобритании, США, а также в Швейцарии, стране туризма, где природа и ландшафты давно стали важнейшим ресурсом. Первое такое общество по охране птиц появилось в Великобритании 1867г., и это вполне естественно если учесть, что в начале нашей эри, Великобритания практически сплошь была покрыта лесом, а уже в 19 веке, лес сохранился лишь на 8% территории. В Великобритании, где возник один из первых в мире центров металлургической промышленности - Бирменгем, впервые было обращено внимание на загрязнение воздуха и кислотные осадки и создан 1882 году специальный комитет по этой проблеме. Таким образом, некоторые проблемы окружающей среды, связанные с использованием ископаемого топлива, появились еще в прошлом веке на локальном уровне.

Однако ощущение глобальной опасности, охватившее многие страны, возникло только с началом стремительного экономического роста после 2-ой Мировой войны в 60-е годы. Большую роль в этом сыграли организация системы наблюдений за окружающей средой, в частности за концентрацией углекислого газа в атмосфере и кислотными осадками. Обнаруженные глобальные изменения окружающей среды и локальные экологические катастрофы привели в первую очередь развитые страны, которые являются основными потребителями энергии и других ресурсов и основными нарушителями окружающей среды, к осознанию важности этой проблемы и необходимости разработки всемирной программы по окружающей среде для её стабилизации, сохранения ресурсов планеты.

Стокгольмская конференция, посвященная проблемам окружающей среды (1972) положила начало быстрому развитию изучения окружающей среды, наблюдений за её компонентами, организационного оформления на национальном и международном уровнях органов, направляющих и координирующих деятельность по сохранению окружающей среды, разработке ресурсосберегающих технологий, моделированию и конкретным мероприятиям. Если до Стокгольмской конференции государственные органы по охране окружающей среды министерского уровня существовали только в Швеции (с 1969г), США, Канаде, Великобритании (с1970г), и Японии (с 1971г), то после конференции подобные структуры возникли практически во всех государствах. Многие страны стали предоставлять статистические данные о состоянии окружающей среды и подготавливать ежегодные отчеты на эту тему. Был сформирован ряд международных организаций, включая ЮНЕП - Программа по окружающей среде ООН.

Неэффективность мер по оздоровлению глобальной окружающей среды привела к широкому обсуждению проблем стремительного роста населения Земли и его давления на природную среду. В связи с этим, обозначились два направления в решении проблемы окружающей среды. Одно направление делает упор на возможность решения проблем окружающей среды на основе смены поведения человека в соответствии с такими социальными ценностями, которые обеспечивают как благоприятные условия для жизни человека, так и стабильность окружающей среды на поверхности Земли. Другое направление считает главным экономический рост, который может происходить только на основе использования природных ресурсов, а опасные нарушения окружающей среды следует устранять технологическими средствами.

Контрольные вопросы:

1. Условия формирования облика планеты. Время появления биоты.

2. Направление эволюции условий окружающей среды.

3. Коацерваты - свойства.

4. Функциональная специализация клеток.

5. Биологический круговорот.

6. Основные этапы эволюции биосферы.

7. Последствия земледелия.

8. Промышленная революция.

9. Создание обществ по охране окружающей среды.

10. Глобальные изменения окружающей среды. Стокгольмская конференция.

11. Направления в решении проблемы окружающей среды.



3. Учение о биосфере и её эволюции

Согласно учению Владимира Ивановича Вернадского (1863-1945) биосфера представляет собой оболочку Земли, включающую как область распространения живого вещества, так и само живое вещество. Биосфера возникла 3,4-4,5 млрд.лет назад и есть не просто сочетание абиотической области распространения живого вещества, но и тесное их взаимодействие. Как живое вещество есть функция биосферы, так и биосфера есть результат развития живого вещества как планетарного явления, служащего могучей геологической силой, связанной с другим веществом биосферы биогенной миграцией атомов.

Таблица 1

Распределение живого вещества на планете

Сфера	Оценочные характеристики
	Масса 1 х 1012	масса %	Масса в целом,%
Суша: Растения Животные и микроорганизма ИТОГО:	2,4 0,02 2,42	99,2 0,8 100	99,87
Океан Растения Животные и микроорганизма ИТОГО	0,0002 0,003 0,0032	6,3 93,7 100	0,13
ВСЕГО:	2,4232	-	100

Живое вещество является носителем свободной энергии в биосфере. Органическая жизнь сосредоточена в литосфере, в гидросфере, а также в тропосфере. Нижняя граница биосферы опускается на 2-3 км на суше и на 1-2 км ниже дна океана, а верхней служит так называемый защитный озоновый экран на высоте 20-25 км выше которого ультрафиолетовая часть солнечного спектра исключает существование жизни. К биосфере относится и человеческое общество с его производственной деятельностью.

Около 99% всего вещества в верхних слоях литосферы трансформировано живыми организмами. Для осуществления такой работы наземные организмы должны обладать и значительной массой. Суммарная масса (биомасса) живых организмов Земли оценивается примерно 2,4*10¹² т. Живое вещество атмосферы представлено микроскопической пыльцой растений, грибов, насекомыми и птицами. Водные и наземные организмы имеют огромное разнообразие от неклеточных форм (вирусов) до млекопитающих и человека.

Контрольные вопросы:

1. Оболочки Земли и живые организмы.

2. Время возникновения биосферы, критерий.

3. Биосфера и миграция вещества.

4. Границы распространения биосферы.

5. Структура видов живых организмов в различных оболочках Земли.



4. Понятие об автотрофности человечества

Развитие идей автотрофности человечества связано с именем В.И.Вернадского, опубликовавшего работу под таким названием. Автотрофными организмами называются такие, которые берут все нужные им для жизни химические элементы их окружающей их косной материи и не нуждаются для построения своего тела в готовых органических соединениях другого организма. Человеческое общество функционирует и развивается все более независимо от других форм жизни и на определенном этапе развития будет способно полностью отказаться от потребления природного органического вещества. В этом состоит суть идеи социальной автотрофности.

По аналогии с естественными автотрофными организмами между обществом и окружающей средой должны быть соответствующие орудия производства, при помощи которых органическим и неорганическим соединениям придается форма, пригодная для потребления. Под автотрофным способом производства понимается замена высокомолекулярных соединений (белков, жиров, углеводов) низкомолекулярными вплоть до химических элементов. Подобный путь подразумевает экологически замкнутую систему производства.

Контрольные вопросы:

1. Автотрофы.

2. Суть идеи автотрофности человека.

3. Автотрофный способ производства.



5. Жизнь как термодинамический процесс

Жизнь есть особая форма существования и движения материи, высшая по отношению к физическим и химическим формам. Жизнь - есть способ существования белковых тел. По современным представлениям, белковое тело - это организованная макромолекулярная совокупность ряда отдельных веществ: аминокислот, нуклеиновых кислот и других соединений.

Непрерывный поток солнечной энергии, воспринимаясь молекулами живых клеток в процессах фотосинтеза преобразуется в энергию химических связей. Создаваемые таким образом химические вещества последовательно переходят от одних организмов к другим: от растений к растительноядным животным, от них - к плотоядным животным первого порядка, затем второго порядка и т.д.

Если температура тела выше температуры окружающего воздуха, т.е. имеется определенный градиент, то общая температура системы "тело-среда" стремится к равновесию. Тело будет отдавать тепло до тех пор пока его температура не сравняется с температурой окружающей среды. В конечном итоге энергия любого живого тела может быть рассеяна в тепловой форме, после чего наступает состояние термодинамического равновесия и дальнейшие энергетические процессы оказываются невозможными. О такой системе говорят, что она находится в состоянии максимальной энтропии. Энтропия таким образом, отражает возможности превращения энергии и рассматривается как мера неупорядоченности системы.

Для того чтобы энтропия системы не возрастала, организм или система должен извлекать "упорядоченность организации" откуда-то извне, т.е. непрерывно поддерживать, накапливать ее против градиента. Организм должен извлекать из окружающей среды отрицательную энтропию, или негэнтропию.

Живые организмы способны выполнять работу против именно выравнивания окружающей средой за счет образования сложноорганизованных упорядоченных молекулярных структур. Понятно, что для работы против градиенты экологическая система должна получать соответствующую энергетическую дотацию. Она и получает ее от солнца, по существу являясь открытой системой. Живой организм извлекает негэнтропию из пищи, используя упорядоченность ее химических связей. Часть энергии теряется на подержание жизни собственного организма, часть передается организмам последующих пищевых уровней. В начале же этого потока находится процесс автотрофного питания растений - фотосинтез, при котором повышается упорядоченность деградировавших органических и минеральных веществ. При этом, энтропия уменьшается за счет "даровой" энергии Солнца.

Согласно второму закону термодинамики энергия любой системы стремится к состоянию термодинамического равновесия. То же может произойти с сообществами живых организмов, например в лесу, если прервать приход и передачу энергии, уничтожив ассимиляционный аппарат.

Таким образом, жизнь может рассматриваться как процесс непрерывного извлечения некоторой системой энергии из окружающей среды, преобразования и рассеивания этой энергии при передаче от одного звена к другому.

Контрольные вопросы:

1. Что такое - жизни.

2. Кругооборот вещества и энергии.

3. Энтропия.

4. Негэнтропия (упорядоченность). Роль солнца и пищи.



6. Экологические факторы и их действие

С экологических позиций среда - это природные тела и явления с которыми организм находится в прямых или косвенных отношениях. Окружающая среда слагается из множества динамичных во времени и пространстве элементов, явлений, которые рассматриваются в качестве факторов.

Экологический фактор - это любое условие среды способное оказывать прямое или косвенное влияние на живые организмы.

Экологические факторы делятся на две категории: 1) факторы неживой природы (абиотические); 2) факторы живой природы (биотические).

Воздействие человека на окружающую среду и проявляется прежде всего в изменении режима множества биотических и абиотических факторов зачастую за те пределы, которые отвечают экологическим требованиям живых организмов.

Таблица 2

Классификация экологических факторов среды (по И.Н.Пономаревой,1975)

Абиотические	Биотические
Климатические: освещенность, температура, влажность, скорость движение воздуха атмосферное давление	Фитогенные: растительные организмы
Эдафогенные: механический состав, влагоемкость, воздухопроницаемость, плотность	Зоогенные: животные
Орографические: рельеф, высота над уровнем моря, экспозиция склона	Микробиогенные: микроорагнизмы
Химические: газовый состав воздуха, солевой состав воды, концентрации кислотность и состав почвенных растворов	Антропогенные: человек

Контрольные вопросы:

1. Что такое среда обитания организма?

2. Экологический фактор.

3. Особенность влияния человека на окружающую среду.

4. Абиотические экофакторы.

5. Биотические экофакторы.

6. Влияние биотических экофакторов на организмы.

7. Влияние абиотических экофакторов на организмыю



7. Понятие об экологической нише, жизненной форме

Любой живой организм приспособлен (адаптирован) к существованию в определенных условиях окружающей среды. Изменение ее параметров, их выход за некоторые границы толерантности подавляет жизнедеятельность организма и может вызвать их гибель.

Экологическая ниша включает в себя не только положение вида в пространстве, но и функциональную роль его в сообществе, его положение в отношении абиотических условий существования. Экологическая ниша - это совокупность условий жизни внутри экологической системы, предъявляемых к среде видом или его популяцией.

С понятием экологической ниши связано понятие жизненной формы - группы видов со сходными приспособительными свойствами для обитания в одинаковых условиях среды. Например разные виды растений, живущие в пустыне обладаю не одинаковыми, но однонаправленными приспособлениями к предотвращению потерь влаги.

Контрольные вопросы:

1. К чему должен быть приспособлен живой организм?

2. Что такое экологическая ниша?

3. Что такое жизненная форма?

4. Приспособительные свойства живых организмов?



8. Адаптация живых организмов к экологическим факторам

Классификация организмов по отношению к экологическим факторам. У одних организмов требования к экологическим факторам более широкие, у других - узкие. Соответственно одни организмы могут выживать при более широкой, а другие при более узкой амплитуде колебания экологических факторов. Например такая рыба как карп обитает только в пресных водах, а обыкновенная колюшка способна жить не только в пресных водах, но и в соленых до известных пределов. По отношению к влаге растения могут быть влаголюбивыми, предпочитающие умеренную влажность и сухолюбивые. Береза хорошо растет как на сухих так и на увлажненных почвах, в то время как для ели предпочтительны почвы с умеренным увлажнением.

Например, активность роста различных видов в значительной степени зависит от изменения температуры среды. Так одни виды приспособлены к существованию в среде с широким изменением температуры. Такие виды называются эвритермные ( от греч. "эври" - широкий). Другие имеют достаточно узкие пределы устойчивости при изменении среды в области низких или наоборот высоких температур. Такие виды называются стенотермными (от греч. "стеноз" - узкий).

Кроме того для организма важное значение имеет не только амплитуда изменения фактора, но и скорость изменений. При этом, чем с меньшей скоростью происходят эти изменения, тем менее опасны они для организма. Так в экспериментах на гусеницах установлено, что резкое их охлаждение с +15 до -20 градусов смертельно, тогда как после постепенного охлаждения до абсолютного нуля их удается вернуть к жизни.

Способность вида адаптироваться к определенным факторам или их комплексу называется экологической валентностью или пластичностью. Понятно, что чем выше пластичность вида, тем выше его способность к приспособлению к конкретной экологической системе, тем больше шансов его популяции выжить в условиях динамичного изменения факторов среды обитания. Требовательность организма к факторам среды обитания определяется областью распространения вида вне зависимости от степени постоянства их обитания, т.е. ареал вида.

Формы и особенности адаптации. Динамичность экологических факторов во времени и пространстве зависит от астрономических, гелиоклиматических, геологических процессов, которые выполняют управляющую роль по отношению к живым организмам. Эволюционно выработанные и наследственно закрепленные особенности живых организмов, обеспечивающие нормальную жизнедеятельность в условиях динамичных экологических факторов называются адаптациями. Очевидно, что любой живой организм может обитать лишь в условиях где режимы экологических факторов соответствуют необходимым.

Морфологические адаптации. Пример морфологических адаптаций - строение организмов, обитающих в воде и приспособленных к быстрому плаванию. Растения, обитающие в пустыни и т.п.

Физиологические адаптации заключаются в особенностях ферментативного набора, определяющих особенности биохимических процессов в организме. Обитатели пустынь способны обеспечивать потребность во влаге путем биохимического окисления жиров.

Поведенческие адаптации проявляются в различных формах поведения. Так, существуют формы приспособительного поведения животных направленные на обеспечение нормального теплообмена с окружающей средой, создание убежищ. Животные адаптируются не только к температурным колебаниям, но и к изменению влажности, освещенности. Наиболее интенсивно естественный отбор действует при широких колебаниях факторов. Приспособительное поведение может проявляться у хищников в процессе выслеживания добычи, у жертв - при избавлении от преследования.

Наиболее известный признак, связанный с адаптацией к климату - цвет кожи. Там, где ультрафиолет наиболее интенсивен - там самая темная коже у людей. В северных широтах кожа у людей самая светлая, если бы это было не так, у детей был бы рахит, так как темная кожа защищает от ультрафиолета, под действием которого вырабатывается витамин Д. Витамин Д необходим для усвоения кальция. Интенсивность кожной пигментации связана с накоплением пигмента меланина, которое контролируется белком мелонокартиновым рецептором. Ген, кодирующий данный белок, исследован у разных народов, и было показано, что накопление мутаций, ведущих к ослаблению пигментации, происходило у жителей Азии и Европы. Интересен тот факт, что хотя у народов Африки самое высокое генетическое разнообразие, по этому гену мутации там отсутствуют, так как светлая кожа там неадаптивна.

Интенсивность кожной пигментации негативно коррелирует с широтой, хотя встречаются некоторые исключения. Например, у эскимосов кожа немного темнее, чем у других популяций, живущих на той же широте. Предполагается, что это из-за того, что они пришли из более южных районов в недалеком прошлом и не успели адаптироваться, или из-за того, что они много едят печени морских животных, где много витамина Д.

Рост и форма тела также являются адаптацией к климатическим условиям. На севере выгоднее всего быть низкого роста, с более короткими конечностями, так как будут наименьшие потери тепла через кожу, на юге - наоборот, худым и высоким, чтобы больше терять тепло.

Контрольные вопросы:

1. Виды приспособления к внешним условиям.

2. Влияние скорости изменений внешней среды к приспособлению организмов.

3. Экологическая валентность.

4. Формы адаптации.

5. Морфологическая адаптация.

6. Физиологическая адаптация.

7. Поведенческая адаптация.

8. Адаптация к климату.



9. Популяция, ее структура и динамика

Определение и состав популяции. Все живые организмы существуют только в форме популяций. В общем случае популяцией называется совокупность особей одного вида, населяющих определенное пространство внутри которого осуществляется та или иная степень обмена генетической информацией.

Каждая популяция имеет определенную структуру: возрастную, сексуальную, пространственную и т.п.. Кроме того, каждая популяция характеризуется определенной численностью и амплитудой её колебания. Структура популяции, её численность и динамика численности определяются экологической нишей данного вида и соответствием условий местообитания требованиям (толерантностью) организмов. Поэтому, прямо или косвенно влияя на животный и растительный мир, человек всегда воздействует на популяции, меняет их параметры и структуру.

Плотность и численность популяций. В любой природной системе поддерживается та численность особей, которая в наибольшей степени отвечает интересам воспроизводства. Для того чтобы сравнивать численность отдельных популяций в разные отрезки времени целесообразно пользоваться таким относительным показателем как плотность, т.е. численность отнесенная к единице площади (объема), занимаемого ею пространства. Зная изменения плотности во времени можно устанавливать увеличивается или уменьшается численность особей, представляет или нет данная популяция угрозу для хозяйственных интересов и т.д. Например птицы, питающиеся рыбой, устраивают гнезда и откладывают яйца в такое время, чтобы период выкармливания потомства совпадал с максимальной экологической плотностью рыбы, так как в это время легче добывать корм.

Численность и плотность - видоспецифичные показатели и не случайные величины. Они предопределены не только режимами экологических факторов в данное время, но и всем предшествующим развитием данной популяции, многих предыдущих поколений.

Закономерности динамики популяции. Численность живых организмов в экологической системе не бывает постоянной. Её колебания имеют очень важное значение для человека, поскольку многие виды животных и растений являются объектом его хозяйственной деятельности или служат следствием какого-либо ущерба окружающей среде. Поэтому знание закономерностей динамики численности популяций необходимо для прогнозирования возможных нежелательных явлений и реализации природоохранных мероприятий. В конкретный момент времени численность особей отражается показателями рождаемости и смертности. Под рождаемостью понимают численно выраженную способность популяции к увеличению. Эта способность зависит от многих факторов: числа самок, количества половозрелых особей, плодовитости и др.. Смертность, как и рождаемость можно выразить количеством особей, погибших за определенный период времени. Под выживаемостью следует понимать долю особей в популяции, доживших до определенного возраста.

Теоретически скорость естественного роста популяции не ограниченной каким-либо фактором характеризуется экспоненциальным законом. Понятно что идеальный закон в реальных условиях не соблюдается и беспредельный экспоненциальный рост численности популяции невозможен. Всегда существует некоторая предельно высокая и низкая численность плотность популяции преступить которые для популяции невозможно, так как по достижении некоторой максимальной численности вступают в действие ограничительные механизмы (нехватка пищи, паразиты, заболевания и пр.). При этом, в одном случае численность популяции стабилизируется на каком-то уровне, в другом, после достижения редела наступает массовая гибель особей, возвращающая численность популяции к исходному уровню.

А Б В

Рисунок 2 Типы динамики численности популяций: А - кривая экспоненциального роста; Б - логистическая кривая; В - экспоненциального роста и падения

Численность популяции разных видов во времени изменяется неодинаково. Существуют два основных вида динамики численности: периодическая, непериодическая.

Периодические колебания численности популяций происходят преимущественно пол влиянием закономерно изменяющихся факторов внешней среды. Например, периодические вспышки массового размножения некоторых насекомых, представляющих опасности для сельского хозяйства. Тип динамики популяции отражает соответствие требований организма реальным условиям окружающей среды. Антропогенные воздействия способны существенно влиять на динамику популяции, отклоняя сложившиеся исторически типы от нормы.

Контрольные вопросы:

1. Популяция.

2. Структуры популяций.

3. Плотность и численность популяции.

4. Закономерность динамики численности популяции.

5. Влияние человека на динамику популяций.



10. Экологическая система

Основные понятия и определения. Совокупность совместно обитающих разных видов организмов и условий их существования, находящихся в закономерной взаимосвязи друг с другом, называются экологической системой. Для обозначения подобных сообществ на земле еще используется понятие - биогеоценоз - совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений со своеобразными взаимодействиями слагающих компонентов, определенным типом обмена веществ и энергий.

Понятия экосистема и биогеоценоз близки но не являются синонимами. Экосистемы - это безразмерные устойчивые системы живых организмов и неживых компонентов в которых совершается внешний и внутренний круговорот веществ и энергий. Экосистема - это и капля воды и микробами, и лес, и горшок с цветами, и пилотируемый космический корабль. Тогда как биогеоценоз - это сугубо наземное образование, имеющее свои четкие границы.

В соответствии с формулировкой биогеоценоз включает в себя две главные составляющие: экотоп, состоящий из совокупности климатический и почвенно-грунтовых факторов; биоценоз - включающий сообщества животных, растений и микроорганизмов.

Одно из важнейших свойств биогеоценоза - взаимосвязь всех его компонентов. Стрелки на рисунке 2 означают каналы передачи информации между различными компонентами биогеоценоза. Человек своей деятельностью способен прямо или косвенно прерывать эти каналы. На уровне биогеоценоза происходят все процессы круговорота веществ и энергий в биосфере. Антропогенная деятельность всегда направлена на биогеоценозы, вне которых на земле жизни нет. Биогеоценозы - это элементарная структурная единица биосферы.

Рисунок 3 Схема биогеоценоза (по В.Н.Сукачеву, 1972)

Структура водной и наземной экосистем. Экологические системы не являются совершенно однородными структурами. Наземные экосистемы многоярусны, т.е. имеют вертикальное расслоение. Так в лесу соответственно размещению корней, стволов, крон деревьев можно выделит несколько ярусов: деревья первой величины, подлесок из кустарников и молодого поколения деревьев, живой напочвенный покров, мхи. Аналогично можно расчленить и луговые сообщества. Животные, обитающие в лесу, также занимают разные ярусы, в которых локализованы их экологические ниши. Ряд птиц гнездится непосредственно на земле или около неё, другие в стволах, третьи в кронах деревьев.

В пределах каждого яруса наблюдается достаточно тесная взаимосвязь обитающих здесь растений и животных.

То же касается и водных систем. Известно, что разные виды рыб и также подводных растений обитают на разной глубине. Вместе с тем в строении водных и наземных сообществ есть существенная разница.

Все водоемы подразделяются на две большие группы: стоячие водоемы (лентическая среда - озера, пруды, болота) и проточные водоемы (лотические - реки, ручьи). Воды характеризуются определенной прозрачностью, скоростью течения, содержанием взвешенных веществ и растворенных газов, минеральных о органических соединений.

В любом лентическом водоеме можно выделить главные зоны: литоральную - мелководье, куда свет проникает до дна и где обычно располагаются высшие растения и некоторые водоросли; лимническую - т.е. предельную толщу воды, куда проникает активные свет. Ниже этой глубины накопление биомассы невозможно, поскольку здесь процессы фотосинтеза и дыхания выравниваются. Нижняя граница лимнической зоны носит название компенсационного горизонта, за который проникает лишь 1% солнечного света. Третья зона называется - профундаль.

В зависимости от местообитания водные организмы классифицируются на:

Бентос - донные организмы, ведущие прикрепленный образ жизни моллюски, низшие растения, ползающие личинки насекомых;

Перифитон - животные и растения, прикрепленные к стеблям высших растений и поднимающихся над дном;

Планктон - плавающие организмы, способные совершать вертикальные и горизонтальные перемещения преимущественно в соответствии с токами вод. Размеры планктона обычно микроскопические или приближающиеся к таковым (мелкие ракообразные, личинки, синезеленые, диатемовые водоросли и др.);

Нектон - свободноплавающие, способные к перемещению организмы (рыбы, амфибии, крупные насекомые ведущие водный образ жизни);

Нейстон - организмы, плавающие у поверхности воды (личинки комаров, ряска).

Как в любых экосистемах в водных трофических цепях различают автотрофные организмы (продуценты) фаготрофы (макроконсументы) и сапротрофы (микроконсументы), выполняющие преимущественно роль разрушителей органического вещества.

В реках и ручьях в основном выделяют две зоны: -мелководные перекаты; и -глубоководные плесы. Каждой из этих зон свойственны свои сообщества организмов (биоценозы).

Лентические и лотические водоемы весьма разнообразны по своей структуре. Каждому из них присуща сложная сезонная динамика температур, состава вод, определяющих расположение и заполнение экологические ниш. Движение вод в водоемах обуславливает передвижение и локализацию сбрасываемых сточных вод, специфику их влияния на экологическое состояние водного объекта.

Контрольные вопросы:

1. Экологическая система.

2. Биоценоз.

3. Экотоп.

4. Важнейшее свойство биогеоценоза.

5. Элементарная структурная единица биосферы.

6. Структура водной экосистемы.

7. Структура наземной экосистемы.

8. Группы водоемов.

9. Классификация организмов по местообитанию в водоёме.

10. Экологические различия лентических и лотических водоёмов.



11. Гомеостаз и сукцессия экологической системы

Естественные экологические системы существуют в течении длительного времени, имеют определенный уровень стабильности во времени и пространстве. Для поддержания стабильности системы необходима сбалансированность потоков вещества и энергии, процессов обмена веществ между организмами и окружающей их средой. Конечно, ни одна экосистема не бывает абсолютно стабильной и характеризуется определенным уровнем изменений как в одну так и в противоположную стороны. Состояние подвижно-стабильного равновесия экосистемы носит название гомеостаза. Гомеостатичность - важнейшее условие существования любой экологической системы.

Несмотря на то, что естественные экосистемы находятся в состоянии подвижно-стабильного равновесия они тем не менее испытывают медленные биологически последовательные изменения биоценоза. Такую биологически последовательную смену одного биоценоза другим называют - сукцессией. Простейший пример сукцессии - последовательное освоение грибами, бактериями, беспозвоночными, упавшего в лесу дерева. На вырубках, заброшенных пашнях в определенной последовательности появляются сначала травянистые растения, светолюбивых, быстрорастущих деревьев и кустарников, хвойной растительности.

В процессе сукцессии изменения касаются не только биоты, но и неорганических составляющих биогеоценоза.

Контрольные вопросы:

1. Гомеостаз экосистемы.

2. Последовательная смена биоценоза.



12. Энергия в экологических системах и их продуктивность

Синтез первичного органического вещества. Первичное органическое вещество на Земле образуется в результате жизнедеятельности в основном растительных организмов под влиянием солнечного света в процессах фотосинтеза. Процесс фотосинтеза является эндоэргическим, поскольку сопровождается поглощением энергии, ее накоплением в энергиях химических связей органического вещества.

Кроме того, синтез органического вещества может осуществляться бактериями, Источником углерода для них служит углерод связанный с водородом (углеводороды) или из состава углеродсодержащего неорганического минерала. Бактерии, использующие для образования органического вещества процессы, связанные с окислением серы, называются серобактериями. Особую группу хемосинтезирующих организмов образуют так называемыми нитрифицирующие бактерии. При нитрификации аммиак окисляется до оксидов азота с образованием нитратов и нитритов.

Существуют также бактерии, окисляющие соединения двухвалентного железа в трехвалентное с последующим использованием выделяющейся энергии на восстановление двуокиси углерода. Их называют железобактериями.

Понятие о трофической цепи. Живые организмы, входящие в состав биоценоза, неодинаковы с точки зрения ассимиляции ими вещества и энергии. В отличии от растения, животные не способны к реакциям фото- и хемосинтеза, а вынуждены использовать солнечную энергию опосредованно - через органическое вещество, созданное фотосинтетиками. Таким образом, в биогеоценозе образуется цепь последовательной передачи вещества и энергии от одних организмов к другим - трофическая цепь.

Поскольку растения строят свой организм без посредников, их называют самопитающимися, или автотрофами. А так как, они создают первичное органическое вещество, продуцируют его из неорганического, их называют - продуцентами.

Организмы, которые не могут троить собственное вещество из минеральных компонентов вынуждены использовать вещество созданное автотрофами. Их называют - гетеротрофы или консументы. Таким образом, продуценты и питающиеся ими консументы образуют два первый звена трофической цепи. Животные, питающиеся консументами первого порядка являются консументами второго порядка и д.т. Трофические цепи могут быть простыми или сложными, образующими целую трофическую сеть.

В процессе питания на всех трофических уровнях появляются "отходы" (сброшенные листья растения, погибшие животные). В конечном итоге созданное органическое вещество должно частично или полностью замениться. Эта замена происходит благодаря особому звену трофической цепи - редуцентам. Редуцентами являются - организмы, преимущественно бактерии, грибы, простейшие, мелкие беспозвоночные, которые в процессе своей жизнедеятельности разлагают органическое вещество до минеральных форм, пригодных для усвоения продуцентами.

Особенно велика роль микроорганизмов в процессах разложения мертвого органического вещества в почве. При этом, бактерии делятся на две большие групп - аэробы и анаэробы. Первые используют для дыхания свободный кислород, вторые отбирают его от каких-либо соединений. В аэробных условиях органика минерализуется интенсивнее, но такие условия создаются редко и чередуются с анаэробными, при которых возможно накопление промежуточных продуктов.

Энергетика и продуктивность биогеоценоза. Трофическая цепь в биогеоценозе есть одновременно цепь энергетическая. Организмы-потребители (консументы), питаясь органическим веществом продуцентов, получают от них энергии, частью идущую на построение органического вещества собственного тела, а частью расходующуюся на дыхание, теплоотдачу, выполнение движений. Таким образом, в экосистеме имеет место непрерывный поток энергии, который на каждом последующем этапе сопровождается рассеиванием ее определенной части.

В процессе жизни сообщества создается и расходуется определенное количество вещества. Это означает, что каждая экосистема обладает определенной продуктивностью. Продуктивность оценивается в единицах массы органики за единицу времени и рассматривается как скорость образования органического вещества.

Таблица 3

Годовая первичная продуктивность наземных экосистем (по П.Дювиньо и М.Тангу, 1968)

Название экосистем	Площадь	Органическое вещество за год	Запас энергии
	млн.кв.км	%	т/га	общее кол-во на суше	кДж 1016
Леса	40,6	28	7	28,4	36,8
Обрабатываемые земли	14,5	10	6	8,7	14,6
Степи и луга	26	17	4	10,4	17,4
Пустыни	54,2	36	1	5,4	9,2
Полярные зоны	12,7	9	0	0	0
Итого	148	100	-	52,9	78

Основная, или первичная продуктивность, определяется как скорость, с которой лучистая энергия Солнца усваивается организмами-продуцентами. Продуктивность консументов носит название вторичной продуктивности.

Продуктивность экологических систем и соотношение в них различных трофических уровней принято выражать в форме пирамид. Первая пирамида была построена Ч.Элтоном и носит название пирамиды чисел масс и эквивалентных им энергий в каждом звене пищевой цепи.

Продуктивность экосистем неодинакова, что следует учитывать при освоении различных территорий под сельскохозяйственное пользование. Продуктивность экосистемы зависит от ряда факторов, в первую очередь от климатических, обеспеченности теплотой и влагой. В любой экосистеме происходит образование биомассы и ее разрушение. Причем эти процессы всецело определяются жизнедеятельностью низшего трофического уровня - растениями продуцентами. Все остальные организмы только потребляют уже созданное органическое вещество и следовательно общая продуктивность экосистемы от них не зависит. Что касается растительных организмов, то в зеленых тканях листа осуществляются два процесса - фотосинтез и дыхание. Экологические системы в которых отношение продуцируемой биомассы к расходам на дыхание больше единицы, носят название систем с автотрофной сукцессией (суммарная масса в них растет). При соотношении же этих показателей меньше единицы суммарная биомасса экосистемы снижается и такие экосистемы относятся к гетеротрофной сукцессией.

Водные экосистемы обычно делятся на олиготрофные (малокормовые), которые бедны биогенными элементами и н эвтотрофные - богатые биогенными элементами. Вместе с эвтотрофность возрастает и продукция фитопланктона, особенно при загрязнении, что ведет к нарушению баланса.

Рисунок 4 Пирамида Элтона

Контрольные вопросы:

1. Синтез органического вещества.

2. Трофическая цепочка.

3. Продуценты и консументы, редуценты.

4. Продуктивность экосистемы.

5. Первичная, вторичная продуктивность.

6. Пирамида Элтона.

7. Олиготрофные и эвтотрофные водные экосистемы.



13. Круговорот веществ в биосфере

Процессы фотосинтеза органического вещества из косных компонентов продолжаются сотни миллионов лет. Но поскольку Земля - некоторое конечное физическое тело, то любые химические элементы также физически не могут сдержаться на ней в бесконечных количествах. За миллионы лет их ассимиляции фотосинтетиками они казалось бы давно должны были бы уже исчерпаться. Однако этого не происходит. Более того, человек постоянно стремится к интенсификации этого процесса, повышая продуктивность создаваемых им экологических систем.

...