Экология человека. Экосистемы и их функционирование

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Министерство здравоохранения Российской Федерации

Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Оренбургский государственный медицинский университет

Кафедра гигиены детей и подростков с гигиеной питания и труда

Учебное пособие

Экология человека. Экосистемы и их функционирование

А.Г. Сетко, Е.А. Володина

Оренбург - 2015

Экология человека. Экосистемы и их функционирование / Сетко А.Г., Володина Е.А. - Оренбург, 2015. - 102 с.

Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки по специальности «Фармация» (утв. приказом Министерства образования и науки РФ от 17 января 2011г. №38) и посвящено фундаментальным основам экологии, содержит базисные сведения об экосистемах и особенностях их функционирования, о роли круговорота веществ в природе, структуре и значении биосферы как глобальной экосистемы.

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности 060301.65 «Фармация».

Рецензенты:

Зулькарнаев Т.Р. - д.м.н., профессор, заведующий кафедрой общей гигиены с экологией, с курсом гигиенических дисциплин МПФ ГБОУ ВПО «Башкирский государственный медицинский университет» Минздрава России.

Березин И.И. - д.м.н., профессор, заведующий кафедрой общей гигиены ГБОУ ВПО «Самарский государственный медицинский университет» Минздрава России.

Учебное пособие рассмотрено и рекомендовано к печати РИС ГБОУ ВПО ОрГМУ Минздрава России.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Экосистемы. Определение понятия. Классификация

2. Абиотический компонент экологических систем

3. Биотический компонент экологических систем. Виды взаимоотношений между живыми организмами

4. Трофическая и энергетическая структура экологической системы

5. Круговороты веществ в природе и экосистемах

6. Динамика экосистем

7. Биосфера как глобальная экосистема

8. Агроценозы

9. Урбоэкосистемы

10. Вопросы для самоконтроля

Тестовые задания

Эталоны ответов к тестовым заданиям

Рекомендуемая литература

ВВЕДЕНИЕ

Экологические проблемы современности оказывают влияние на жизнь и деятельность общества в целом и каждого отдельного человека, в частности. Они носят глобальный и региональный характер и могут быть решены только при условии формирования экологического мировоззрения у всех людей, повышения их экологической грамотности и культуры, понимания необходимости реализации принципов устойчивого развития. В решении данной задачи ведущая роль принадлежит экологическому образованию.

Профессиональная подготовка будущего фармацевта и различных специалистов медицинского направления предполагает осознание своей ответственности за состояние окружающей среды и за последствия действий человека по отношению к ней, что составляет основу экологического мышления. Экологическое образование не только дает научные знания из области экологии, но и является важным звеном экологического воспитания будущих специалистов.

Фармацевт должен обладать экологическими знаниями, понимать сущность современных проблем взаимодействия общества и природы, разбираться в причинной обусловленности возможных негативных воздействий хозяйственной деятельности на окружающую природную среду, уметь квалифицированно оценить характер, направленность и последствия влияния конкретной деятельности человека на природу, вырабатывать и осуществлять научно обоснованные решения экологических проблем. Отсюда велика роль подготовки экологических кадров, экологического образования и воспитания населения страны.

Настоящее учебное пособие посвящено фундаментальным основам экологии, формирует представление об экосистеме как целостной самовоспроизводящейся системе, раскрывает роль абиотических и биотических факторов в функционировании экосистем и происходящих в них динамических процессах, рассматривает биосферу как глобальную экосистему, а также особенности круговорота веществ в природе, и направлено на формирование у обучающихся понимания экологии как комплексной междисциплинарной науки, решающей профессиональные задачи по охране окружающей среды от антропогенного воздействия. Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки (специальностям) 060301 «Фармация» (утв. приказом Министерства образования и науки РФ от 17 января 2011г. №38) и может быть полезно для студентов фармацевтического факультета, изучающих дисциплину «Основы экологии и охраны природы».

Цель изучаемой темы: в результате изучения данной темы обучающийся должен знать:

определение понятия и основные типы экологических систем, законы их функционирования,

общие закономерности взаимоотношений живых организмов между собой и с окружающей природной средой,

механизмы, обеспечивающие устойчивость экологических систем разных типов, строение биосферы, роль живого вещества в биосфере, круговороты веществ в природе;

уметь оценивать и анализировать текущее состояние экологических систем, выявлять причины нарушения их равновесия, прогнозировать возможные отрицательные последствия и находить возможные пути их восстановления; владеть навыками санитарно-просветительской работы среди населения по вопросам экологического образования и воспитания населения, что необходимо для формирования следующей профессиональной компетенции в соответствии с ФГОС третьего поколения для специальности: «Фармация»: ПК-47 - способность и готовность к проведению информационно-просветительской работы по пропаганде здорового образа жизни и безопасности жизнедеятельности.

1. Экосистема. Определение понятия. Классификация

Живые организмы и их неживое (абиотическое) окружение неразделимо связаны друг с другом, находятся в постоянном взаимодействии. Все совместно функционирующие организмы (биотическое сообщество) на данном участке и взаимодействующие с физической средой таким образом, что поток энергии создает четко определенные структуры и круговорот веществ между живой и неживой частями, представляет собой экологическую систему.

Экологическая система (экосистема) - основная функциональная единица в экологии. Данный термин впервые был предложен в 1935 г. английским экологом А. Тенсли (1871-1955). Само же представление об экосистеме возникло значительно раньше.

В настоящее время широкое распространение получило следующее определение экосистемы. Экосистема - это любая совокупность организмов и неорганических компонентов, в которой может осуществляться круговорот веществ. По Н.Ф. Реймерсу (1990), экосистема - это любое сообщество живых существ и его среда обитания, объединенные в единое функциональное целое, возникающее на основе взаимозависимости и причинно-следственных связей, существующих между отдельными экологическими компонентами. Следует подчеркнуть, что совокупность специфического физико-химического окружения (биотопа) с сообществом живых организмов (биоценозом) и образует экосистему.

А. Тенсли предложил следующее соотношение: Экосистема = Биотоп + Биоценоз

По определению В.Н. Сукачева, биогеоценоз (от греч.bios - жизнь, ge - Земля, koinos - общий) - это совокупность однородных природных элементов (атмосферы, горной породы, растительности, животного мира и мира микроорганизмов, почвы и гидрологических условий) на определенном участке поверхности Земли. Контур биогеоценоза устанавливается по границе растительного сообщества (фитоценоза).

Термины «экологическая система» и «биогеоценоз» не являются синонимами. Экосистема - это любая совокупность организмов и среды их обитания, в том числе, например, горшок с цветком, муравейник, аквариум, болото, пилотируемый космический корабль. У перечисленных систем отсутствует ряд признаков из определения В.Н. Сукачева, и в первую очередь элемент «гео» - Земля. Биоценозы - это только природные образования. Однако биоценоз в полной мере может рассматриваться как экосистема. Таким образом, понятие «экосистема» шире и полностью охватывает понятие «биогеоценоз» или «биогеоценоз» - частный случай экосистемы.

С современной точки зрения экосистемой называют совокупность продуцентов, консументов и детритофагов, взаимодействующих друг с другом и с окружающей их средой посредством обмена веществом, энергией и информацией таким образом, что эта единая система сохраняет устойчивость в течение продолжительного времени.

Существующие на Земле экосистемы разнообразны и их классифицируют:

По составу:

Микроэкосистемы (например, ствол гниющего дерева).

Мезоэкосистемы (лес, пруд, озеро и т.д.).

Макроэкосистемы (континент, океан и др.).

Глобальная - биосфера Земли.

Крупные наземные экосистемы называются биомами.

По происхождению:

Естественные (природные).

Искусственные (антропогенные): сельскохозяйственные, городские и промышленные.

Однако, такое разделение экосистем весьма относительно, так как сегодня в мире нет экосистем, которые бы не испытывали влияние человека.

Естественные (природные):

1. Наземные (биомы) - лесные (тропический лес, леса умеренного пояса, хвойные (тайга), тундра), степи, луга, пустыни.

Лесные экосистемы - самые важные для жизни биосферы: они обогащают атмосферу кислородом и поддерживают уровень содержания в ней углекислого газа. Леса играют ведущую роль в круговороте воды: поверхность лесных почв покрыта подстилкой и впитывает дождевые и снеговые воды, пополняя запасы подземных вод. Лесные почвы фильтруют воды, стекающие с полей и промышленных площадок, и очищают их от многих вредных примесей. Лесные экосистемы испаряют в атмосферу влагу и благотворно влияют на климат, повышая влажность воздуха.

Естественные кормовые угодья (сенокосы и пастбища) - это степи - сообщества с преобладанием засухоустойчивых видов (ксерофитов) и луга - сообщества мезофитов, т.е. видов, произрастающих в условиях достаточного, но не избыточного увлажнения.

Горные экосистемы - важнейший фактор формирования климата, так как они служат естественными преградами при перемещении больших воздушных масс и облаков, несущих дожди.

Например, у Уральских гор, как и у всех других горных экосистем, есть две особенности: высокое биологическое разнообразие за счет вертикальной поясности и низкая устойчивость к режиму хозяйственного использования, что связано с опасностью эрозии почв.

2. Пресноводные:

Стоячие воды: озера, пруды, водохранилища.

Текущие воды: реки, ручьи.

Заболоченные угодья: болота и марши - прибрежные полосы воды, заливаемые при повышении уровня воды.

Болота - это экосистемы избыточного увлажнения, в которых в качестве детрита накапливается не гумус, как в почве, а торф (слабо перегнившие остатки растений). Болота играют важную роль как регуляторы

гидрологического режима территорий: запасая влагу в период таяния снегов и осенних осадков, они питают ручьи и реки в сухие периоды года. Болота - санитары сельскохозяйственных экосистем. Стекающая в них вода может содержать удобрения, остатки пестицидов, нефтепродукты, навозные стоки, а вытекающие из болота ручьи полностью очищены от этих примесей.

3. Морские (открытый океан, воды континентального шельфа, бухты, устья рек, лиманы - мелководный залив при впадении реки в море, глубоководные рифовые зоны Мирового океана).

По времени существования:

1. Высокоустойчивые - сохраняющие свои характерные особенности на протяжении длительного времени.

2. Кратковременные (например, экосистема весенних рано просыхающих луж).

По источнику энергии:

1. Автотрофные: фотоавтотрофные, хемоавтотрофные.

2. Гетеротрофные.

В структуре экосистемы выделяют абиотический и биотический компоненты. Абиотический компонент состоит из неорганических веществ, которые принимают участие в круговоротах веществ в природе; органических соединений, которые связывают биотическую и абиотическую часть; воздушной, водной, субстратной среды, которая включает и климатические факторы. Биотический компонент представлен живыми организмами, имеет видовую, пространственную и трофическую структуру. Пространственная структура экосистемы проявляется в ярусности: автотрофные процессы наиболее активно протекают в верхнем ярусе - «зеленом поясе», где доступен солнечный свет. Гетеротрофные процессы наиболее интенсивны для нижнего яруса - «коричневого пояса». Здесь в почвах и осадках накапливаются органические вещества. Трофическая структура экосистемы представлена продуцентами - производителями органического вещества, консументами - потребителями органического вещества и редуцентами-разлагателями органического вещества до исходных минеральных элементов.

Таким образом, в составе экосистемы можно выделить следующие составные:

Ш неорганические вещества (углерод, азот, углекислый газ, вода и др.), включающиеся в круговороты;

Ш органические соединения (белки, углеводы, липиды, гумусовые вещества и т.д.), связывающие биотическую и абиотические части;

Ш воздушная, водная и субстратная среда, включающая климатический режим и другие физические факторы;

Ш продуценты, автотрофные организмы (зеленые растения, сине-зеленые водоросли, фото- и хемосинтезирующие бактерии), производящие пищу из простых неорганических веществ;

Ш консументы - гетеротрофные организмы, главным образом животные, питающиеся другими организмами или частицами органического вещества;

Ш редуценты и детритофаги - гетеротрофные организмы, в основном бактерии и грибы, получающие энергию либо путем разложения мертвых тканей, либо путем поглощения растворенного органического вещества, выделяющегося самопроизвольно или извлеченного сапрофитами из растений и других организмов.

Экосистемы не разбросаны в беспорядке, они сгруппированы в достаточно регулярных зонах как по горизонтали (по широте), так и по вертикали (по высоте). Это подтверждается периодическим законом географической зональности А.А. Григорьева - М.И. Будыко: со сменой физико-географических поясов Земли аналогичные ландшафтные зоны и их некоторые общие свойства периодически повторяются (рис. 1).

Для естественной экосистемы характерны три признака:

1) экосистема обязательно представляет собой совокупность живых и неживых компонентов;

2) в рамках экосистемы осуществляется полный цикл, начиная с создания органического вещества и заканчивая его разложением на неорганические составляющие;

3) экосистема сохраняет устойчивость в течение некоторого времени, что обеспечивается определенной структурой биотических и абиотических компонентов.

Рис. 1. Периодический закон географической зональности А.А. Григорьева - М.И. Будыко (по Н.Ф. Реймерсу, 1994)

Примечание: 1,2,3 - радиационный индекс сухости (отношение радиационного баланса к количеству тепла, необходимому для испарения годовой суммы осадков). Диаметры кружков пропорциональны биологической продуктивности ландшафтов.

2. Абиотический компонент экологических систем

Абиотический компонент экосистем включает большое количество факторов неживой природы, которые прямо или косвенно влияют на живые организмы. К ним относятся:

1. Климатические факторы (солнечная радиация, свет и световой режим, температура, атмосферные осадки, ветер, атмосферное давление и др.).

2. Физические факторы (шум, давление, магнитные поля, теплопроводность и теплоёмкость, радиоактивность, интенсивность солнечного излучения).

3. Орографические (характер рельефа, высота над уровнем моря, протяженность, характер склонов и др.).

4. Химические факторы (солевой состав воды и почвы, газовый состав воздуха).

5. Гидрологические (факторы водной среды): соленость, прозрачность, газовый состав, освещенность и др.

6. Эдафические (почвенно-грунтовые) факторы представляют собой совокупность химических, физических и механических свойств почв и горных пород, оказывающих воздействие на организмы. К ним относятся механическая структура и химический состав почвы, влагоемкость, водный, воздушный и тепловой режим почвы, кислотность, влажность, газовый состав, уровень грунтовых вод и др.

Климатические факторы

Свет

Видимая часть солнечной радиации составляет около 50 % лучистой энергии и является очень важным лимитирующим абиотическим фактором. С участием света у растений и животных протекают многие процессы, такие как фотосинтез, транспирация, фотопериодизм, движение, зрение у животных и другие.

Растения для фотосинтеза используют только 1-5% падающего на них света. Интенсивность данного процесса зависит от интенсивности солнечной радиации, длины световой волны, качественного состава света, распределения его во времени. Фотосинтезирующая деятельность зеленых растений обеспечивает планету органическим веществом и служит источником аккумулированной первичной энергии.

По отношению к свету различают следующие экологические группы растений: светолюбивые (гелиофиты), тенелюбивые (сциофиты) и теневыносливые (факультативные гелиофиты). К светолюбивым растениям относят кувшинку, лиственницу, кукурузу, сахарный тростник и др. Примером тенелюбивых растений являются лесные травы - кислица, мхи и др. Теневыносливые растения лучше растут при прямом освещении солнечными лучами, однако способны выносить и затенение. К ним относятся в основном лесообразующие породы (береза, осина, сосна, дуб, ель) и травянистые растения (зверобой, земляника) и др.

Большинству живых организмов необходим солнечный свет, однако известны многие виды бактерий и грибов, которые могут длительно размножаться в условиях полной темноты.

Реакция живых организмов на суточный ритм освещенности, продолжительность светового дня и соотношение между темным и светлым временем суток, выражающаяся в изменении интенсивности физиологические процессов, называется фотопериодизмом. С ним связаны основные приспособительные реакции и сезонные изменения у всех живых организмов. Так, интенсивность освещения определяет среди животных и насекомых виды, ведущие сумеречный (бабочки бражника, майские хрущи, еж), ночной (большинство хищных млекопитающих, ночные насекомые) и дневной образ жизни (большинство птиц, многие млекопитающие и насекомые, пресмыкающиеся и земноводные). Для многих животных зоопланктона свет является сигналом к вертикальной миграции, в результате чего днем они остаются в глубинах, тогда как ночью поднимаются в теплые, богатые кормом верхние слои воды.

Совпадение периодов жизненного цикла с соответствующим временем года (сезонный ритм) имеет огромное значение для существования видов. Роль пускового механизма сезонных изменений (от весеннего пробуждения до зимнего покоя) играет длина светового дня, как наиболее постоянное изменение, предвещающее смену температур и других экологических условий. Так, увеличение длины светового дня стимулирует деятельность половых желез у многих животных и определяет начало брачного периода.

Укорочение светового дня ведет к затуханию функции половых желез, накоплению жира, развитию пышного меха у животных, перелетам птиц, переходу в состояние покоя и спячки. Аналогично у растений с удлинением светового дня связано образование гормонов, влияющих на цветение, оплодотворение, плодоношение, образование клубней и т.д. Осенью эти процессы затухают.

Примерно 75% падающей на растения солнечной радиации расходуется на транспирацию - испарение воды с поверхности листьев или других частей.

Свет - необходимое условие зрительной ориентации в пространстве. Для животных, обладающих зрением, наиболее успешно добывание пищи в светлое время.

Температура

Значение температуры заключается и в том, что она изменяет скорость протекания физико-химических процессов в клетках, отражающихся на всей жизнедеятельности организмов. Температура влияет на анатомо- морфологические особенности организмов, ход физиологических процессов, их рост, развитие, поведение и во многих случаях определяет географическое распространение растений и животных.

Любой организм способен жить в пределах определенного диапазона температур. Как правило, верхние предельные значения фактора оказываются более критичными, чем нижние, хотя многие организмы вблизи верхних пределов диапазона толерантности функционируют более эффективно. У водных животных диапазон толерантности к температуре обычно более узок по сравнению с наземными, так как диапазон колебаний температуры в воде меньше, чем на суше. Температурные ритмы в значительной степени контролируют сезонную и суточную активность растений и животных.

По отношению к температуре все организмы подразделяются на две группы: холодолюбивые (криофилы, криофиты; морозоустойчивые, зимостойкие) и теплолюбивые (термофилы, термофиты). К морозоустойчивым растениям относятся лишайники, двухлетние капустные растения, картофель и другие корнеплоды, салат, шпинат, лук.

Морозоустойчивые животные: белые медведи, пингвины, моржи. К теплолюбивым растениям относятся томат, перец, баклажан, огурец; животным - коралловые полипы, человекообразные обезьяны (горилла, орангутанг и др.), жирафы, крокодилы, моллюски, ракообразные, насекомые горячих источников. Все организмы в зависимости от способности выживать в условиях разных температур классифицируют на эвритермные, существующие в условиях значительных колебаний температур, и стенотермные, способные существовать лишь в узком диапазоне температур. Эвритермные организмы обитают в основном в условиях континентального климата. Примером их являются животные многих видов, обитающие в пресных водоемах и способные выдерживать как промерзание воды, так и ее нагревание. Для многих эвритермных организмов характерна способность впадать в состояние оцепенения при «ужесточении» влияния температурного фактора, что сопровождается снижением уровня обмена веществ. Примерами оцепенения являются оцепенение насекомых или рыб при значительном снижении температуры, зимняя спячка млекопитающих (медведей, барсуков, ежей и др.). К стенотермным организмам относятся все глубоководные и подземные обитатели, постоянные обитатели высоких широт и экваториального пояса, организмы, обитающие на термальных источниках.

В зависимости от наличия или отсутствия собственной системы терморегуляции животные делятся на гомойотермные (от греч. homoios - равный и therme - жар), способные поддерживать постоянную температуру тела независимо от окружающей температуры, и пойкилотермные (от греч. poikiloi - различный, переменный и therme - жар), неспособные ее поддерживать. Первым присуща постоянная температура, тогда как вторым - непостоянная. Гомойотермными (теплокровными) являются млекопитающие и некоторые виды птиц. Они способны к терморегуляции, которая обеспечивается физическими и химическими путями. Физическая терморегуляция осуществляется за счет накапливания подкожного жирового слоя, ведущего к терморегуляции заключается в потоотделении. В ходе эволюция гомойотермные животные развили способность защищаться от холода (миграции, спячка, повышение густоты меха и т.д.).

Пойкилотермными (холоднокровные) являются все организмы, кроме млекопитающих и нескольких видов птиц. Температура их тела приближается к температуре среды. Лишь некоторые виды этих животных способны к изменению температуры своего тела, притом в определенных условиях. Например, этой способностью обладают тунцы. Важным для пойкилотермных организмов является то, что повышение температуры их тела происходит, когда увеличивается их активность и обмен веществ.

Влажность и количество осадков

Влажность среды является фактором, лимитирующим распространение и численность организмов на Земле, обусловливает периодичность активной жизни организмов, сезонную динамику жизненных циклов, влияет на рост, продолжительность развития, плодовитость и их смертность.

Влажность является основным фактором, определяющим тип биома со специфичным составом растений и животных. Количество осадков зависит в основном от путей и характера перемещений больших воздушных масс. При достаточно большом количестве осадков, как правило, развивается лесная растительность. Температура при этом определяет тип леса. Точно так же обстоит дело в биомах степи и пустыни. Смена типов растительности в холодных регионах происходит при меньших годовых суммах осадков, так как при низких температурах меньше воды теряется на испарение. Температурный фактор становится главным только в очень холодных условиях с вечной мерзлотой. Так, в тундре тепла хватает лишь на то, чтобы сошел снег и оттаяли самые верхние горизонты почвы. Вечная мерзлота Она ограничивает распространение на север еловых и пихтовых лесов из-за препятствия глубокому проникновению в почву их корневой системы и в то же время не мешает произрастанию карликовых морозоустойчивых растений тундры. При дальнейшем понижении температуры карликовая морозоустойчивая растительность тундры сменяется полярными пустынями.

В природе существует суточный ритм влажности - повышение ночью и снижение днем, колебание ее по вертикали и горизонтали, что наряду со светом и температурой играет важную роль в регулировании активности организмов.

В зависимости от влажности происходит распределение видов. Например, земноводные, дождевые черви и некоторые моллюски способны жить только в очень влажных местах. Напротив, многие животные предпочитают сухость.

Выделяют влаголюбивые организмы - гидробионты (гидрофилы, гидрофиты) - водные животные, растения и микроорганизмы, обитающие в морских и пресных водоемах; гигрофилы, гигрофиты - наземные организмы, приспособленные к обитанию в условиях высокой влажности (на заболоченных территориях, во влажных лесах, поймах рек, по берегам водоемов, в почве или в гниющей древесине); сухолюбивые (ксерофилы, ксерофиты) - обитатели засушливого климата; мезофилы, мезофиты - предпочитающие умеренную влажность. Так к влаголюбивым растениям относят рис, тростник, осоки, болотные растения (росянка, мхи, клюква). Влаголюбивые животные: земноводные, некоторые пресмыкающиеся, водоплавающие птицы, насекомые (мокрецы, комары, стрекозы и др.). Ксерофиты: армерия, барвинок, гайлардия, гвоздика, гелиопсис, кореопсис, лаванда, мак, мальва. Ксерофилы: верблюд, тушканчики, ящерицы.

К водному режиму в процессе эволюции у растений и животных выработались различные формы адаптации. Например, для уменьшения потери воды листья растений (кактус, хвойные деревья, молочай) превращены в иглы или колючки, удлинена петля Генле в почках верблюда. Для увеличения поглощения воды у некоторых растений сформировалась обширная поверхностная корневая система и глубоко проникающие корни. Другие запасают воду в слизистых клетках и клеточных стенках (молочай, кактус), специализированном мочевом пузыре (лягушка). Верблюды, мхи, папоротники, лишайники изначально имеют физиологическую устойчивость к потере воды.

Движение воздушных масс

Ветер - важнейший фактор распространения на большие расстояния влаги, семян, спор, химических примесей и т.п. Он способствует снижению околоземной концентрации пыле- и газообразных веществ вблизи места их поступления в атмосферу. Может изменять внешний вид растений, например в альпийских зонах. Ураганы и обычные ветры способны переносить животных и растения на большие расстояния, тем самым изменять состав сообществ.

Физические факторы

Давление

Давление проявляется как в воздушной, так и в водной средах. В атмосферном воздухе давление меняется посезонно, в зависимости от состояния погоды и высоты над уровнем моря. Особый интерес представляют приспособления организмов, которые живут в условиях пониженного давления, разреженного воздуха высокогорья.

Давление в водной среде изменяется в зависимости от глубины: он растет примерно на 1 атм. на каждые 10 м. Для многих организмов есть свои пределы изменения давления (глубины), к которым они приспособились. Например, абисальные рыбы (рыбы мировых глубин) способны переносить большое давление, но они никогда не поднимаются к поверхности моря, потому что для них это является смертельным. И наоборот, не все морские организмы способны погружаться в воду на большие глубины. Кашалот, например, может нырять на глубину до 1 км, а морские птицы - до 15-20 м, где они добывают свою пищу.

Большинство живых существ на нашей планете приспособлено к существованию при барометрическом давлении 720-740 мм рт. ст. (на уровне Мирового океана). Живые организмы суши и водной среды четко реагируют на изменения давления и своим поведением могут прогнозировать изменения состояния погоды.

Неравномерность давления, что является результатом неравномерного прогрева Солнцем и распределения тепла как в воде, так и в атмосферном воздухе, создает условия для смешения водных и воздушных масс, т.е. образование течений. При определенных условиях течения является мощным экологическим фактором.

Излучение солнца (инфракрасное, ультрафиолетовое)

Солнечная радиация, с физической точки зрения, представляет собой электромагнитное излучение с широким диапазоном длин волн (инфракрасные, видимые, ультрафиолетовые). Экологические и биологические эффекты волн различной длины различны.

Инфракрасные лучи составляют около 45% лучистой энергии, достигающей Земли, и являются главным источником тепла, поддерживающего температуру окружающей среды.

Коротковолновые ультрафиолетовые лучи (200-280 нм) практически полностью поглощается озоновым экраном, они губительны для живого. УФ-лучи с длиной волны 280-320 нм обладают канцерогенным действием, однако механизм этого действия до конца неясен. Эти лучи также активируют некоторые микроорганизмы. Часть спектра от 300 нм (именно эти лучи, в основном, достигают поверхности Земли) оказывает на организмы, главным образом, химическое действие; активируют процессы клеточного синтеза; под воздействием этих лучей в организме синтезируется витамин D3, регулирующий обмен кальция и фосфора и нормальный рост организмов. Многие млекопитающие, выводящие детенышей в норах, регулярно выносят их на освещенные солнцем места вблизи норы (например, лисицы, барсуки). Основная роль этого поведения, как считают, нормализация синтеза витамина D, регуляция продукции меланина (черного пигмента). В то же время избыток УФ-лучей играет отрицательную роль.

Ионизирующее излучение

Живые организмы нашей планеты постоянно испытывают на себе воздействие ионизирующего излучения (длина волн меньше 150 нм). Это необходимый компонент обитания в биосфере.

Естественное ионизирующее излучение складывается из трех составляющих: космическая радиация (протоны, альфа-частицы, гамма-лучи), излучение радиоактивных веществ, присутствующих в горных породах, почве, и излучение радиоактивных веществ, попадающих в организм с воздухом, пищей и водой.

Выделяют естественные (радиоактивные вещества, содержащиеся в горных породах и космос) и искусственные (техногенные) источники ионизирующего излучения. Разные виды живых организмов сильно отличаются по своим способностям выдерживать большие дозы радиационного облучения.

Биологическое действие осуществляется, прежде всего, на субклеточном уровне. У высших растений чувствительность к ионизирующему излучению прямо пропорциональна размеру клеточного ядра, а точнее объему хромосом или содержанию ДНК.

Возможно повреждающее действие на генетический аппарат половых клеток (мутагенный эффект), соматических клеток (канцерогенный эффект).

Орографические факторы

Орографические факторы (характер рельефа, высота над уровнем моря, протяженность, характер склонов и др.) - косвенно действующие факторы, так как непосредственно на растительные сообщества влияния не оказывают. Тем не менее, роль рельефа как фактора, очень сильно влияющего на климатические и эдафические факторы, чрезвычайно велика. В большинстве случаев именно разнообразие условий рельефа обеспечивает разнообразие растительных сообществ в пределах одной климатической зоны. Нередко рельеф определяет распространение тех или иных видов растений и, тем самым, видовой состав растительных сообществ.

С высотой над уровнем моря высотой снижаются средние температуры, увеличивается суточный перепад температур, возрастает количество осадков, скорость ветра и интенсивность радиации, понижается атмосферное давление и концентрации газов. Все эти факторы влияют на растения и животных, обуславливая вертикальную зональность.

Горные цепи служат климатическими барьерами, барьерами для распространения и миграции организмов и могут играть роль лимитирующего фактора в процессах видообразования.

Важное значение имеет экспозиция склона. В северном полушарии склоны, обращенные на юг, получают больше солнечного света, поэтому интенсивность света и температура здесь выше, чем на дне долин и на склонах северной экспозиции. В южном полушарии имеет место обратная ситуация.

Крутизна склона влияет на дренаж. Вода стекает со склонов, смывая почву. Растительность сдерживает эти процессы. Для крутых склонов характерны быстрый дренаж и смывание почв, поэтому почвы на них маломощные и более сухие. При уклонах более 35° почва и растительность обычно отсутствуют и создаются осыпи из рыхлого материала.

Химические факторы

Газовый состав атмосферы также является важным климатическим фактором. Главной составной частью воздуха является кислород (20,9%), который необходим для нормального протекания окислительных процессов в клетках большинства живых существ (аэробов). Некоторые организмы (в основном бактерии) могут существовать в бескислородной среде (анаэробы). Один и тот же организм на разных этапах своего развития может менять отношение к кислороду. Так, яйца аскариды для своего развития нуждаются в кислороде, а взрослые паразиты приспособились к существованию в бескислородной среде (кишечнике человека). Содержание диоксида углерода составляет всего 0,03 - 0,04%, но он имеет существенное значение для жизни на Земле, так как непосредственно используется в процессе фотосинтеза. Больше всего в атмосфере содержится азота (78,08%), однако он не имеет особого биологического значения, так как непосредственно не усваивается растениями. В атмосфере содержится также небольшое количество инертных газов, газообразных и пылевидных примесей, микроорганизмов.

Гидрологические факторы

Водные условия создают своеобразную среду обитания организмов, отличающуюся от земной плотностью, вязкостью, изменением температуры по глубине водного объекта и периодическими ее изменениями во времени, прозрачностью, газовым составом и другими показателями.

Прозрачность воды во многом определяет световой режим под ее поверхностью, протекание фотосинтеза зеленых и пурпурных водорослей, фитопланктона, высших растений.

Газовый состав водной среды сильно варьирует во времени. В водоемах с высоким содержанием органических веществ кислород является лимитирующим фактором первостепенной важности. Кислотность - концентрация водородных ионов (рН) - тесно связана с карбонатной системой. Значение рН изменяется в диапазоне от 0 рН до 14: при рН = 7 среда нейтральная, при рН<7 - кислая, при рН>7 - щелочная. Если кислотность не приближается к крайним значениям, то сообщества способны компенсировать изменения этого фактора - толерантность сообщества к диапазону рН весьма значительна. В водах с низким рН содержится мало биогенных элементов, поэтому продуктивность здесь крайне мала.

Соленость - содержание карбонатов, сульфатов, хлоридов и т.д. - является еще одним значимым абиотическим фактором в водных объектах. В пресных водах солей мало, из них около 80% приходится на карбонаты. Содержание минеральных веществ в мировом океане составляет в среднем 35 г/л. Организмы открытого океана, морские обычно являются стеногалинными (неспособными переносить значительные колебания солености воды), тогда как организмы прибрежных солоноватых вод в общем эвригалинными (способными переносить значительные колебания солености воды). Концентрация солей в жидкостях тела и тканях большинства морских организмов изотонична концентрации солей в морской воде, так что здесь не возникает проблем с осморегуляцией.

Течение не только сильно влияет на концентрацию газов и питательных веществ, но и прямо действует как лимитирующий фактор. Многие речные растения и животные морфологически и физиологически особым образом приспособлены к сохранению своего положения в потоке: у них есть вполне определенные пределы толерантности к фактору течения.

Гидростатическое давление в океане имеет большое значение. С погружением в воду на 10 м давление возрастает на 1 атм. (105 Па). В самой глубокой части океана давление достигает 1000 атм. (108 Па). Многие животные способны переносить резкие колебания давления, особенно, если у них в теле нет свободного воздуха. В противном случае возможно развитие газовой эмболии. Высокие давления, характерные для больших глубин, как правило, угнетают процессы жизнедеятельности.

Эдафические факторы

Почвой называют слой вещества, лежащий поверх горных пород земной коры. Она формируется в результате сложного взаимодействия климата, растений, животных и микроорганизмов. В состав почвы входят четыре важных структурных компонента: минеральная основа (обычно 50-60% общего состава почвы), органическое вещество (до 10%), воздух (15-25%) и вода (25-30%).

Минеральный скелет почвы - это неорганический компонент, который образовался из материнской породы в результате ее выветривания.

Органическое вещество почвы образуется при разложении мертвых организмов, их частей (например, опавших листьев), экскретов и фекалий. Мертвый органический материал используется в пищу совместно детритофагами, которые его поедают и таким образом способствуют его разрушению, и редуцентами (грибами и бактериями), завершающими процесс разложения. Не полностью разложившиеся органические остатки называются подстилкой, а конечный продукт разложения - гумусом. Последний, благодаря своим физическим и химическим свойствам, улучшает структуру почвы и ее аэрацию, а также повышает способность удерживать воду и питательные вещества.

В почве обитает множество растительных и животных организмов, влияющих на ее физико-химические характеристики: бактерии, водоросли, грибы, одноклеточные, черви и членистоногие.

По отношению к кислотности почвы все растения можно подразделить на: ацидофилы (рН<6,7) - карликовая береза, хвощи, плауны, некоторые мхи; нейтрофилы (рН = 6,7-7,0) - большинство культурных растений; базифилы (рН>7,0) - в основном обитатели степей и пустынь: лебеда, полынь, разнообразные сложноцветные. На разных типах почв могут обитать виды, относящиеся к индифферентным - ландыш майский, вьюнок полевой, лютик ползучий, земляника лесная.

Животные также реагируют на рН почвы: дождевые черви не переносят рН ниже 4,4; моллюски предпочитают почвы с рН равным 7,0, и т.д.

Растения, обитающие на засоленных почвах, называют галофитами. Среди них выделяют две группы: растения-соленакопители (солеросы, солянки, соляноколосники) и солевыводящие (кермек, гониолимон, лох и гребенщик) растения.

Растения, предпочитающие почвы богатые азотом называют нитрофилами или азотолюбами. К ним относятся пырей, иван-чай, крапива, малина, лопух, подорожник, капуста, огурец, морковь и др.

Растения, обитающие на почвах богатых мелом или известью, называют кальцефилами. Это: дуб, лиственница, ковыль, василек и др.

Животные, проживающие всю жизнь в почве, называются геобионтами. Те из них, у которых только часть жизни проходит в почве - геофилами. Геоксенами считают животных лишь иногда посещающих почву для временного укрытия.

3. Биотический компонент экосистем. Виды взаимоотношений между живыми организмами

Биотические факторы - совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на жизнедеятельность других (внутривидовые и межвидовые взаимодействия), а также на неживую среду обитания. Среди них выделяют:

фитогенные (влияние растений);

зоогенные (влияние животных);

микробогенные (воздействие микроорганизмов);

микогенные (влияние грибов);

антропогенные (влияние человека).

Взаимосвязи между организмами можно разделить на два типа: внутривидовые, или гомотипические (греч. homoios - «одинаковый»), и межвидовые, или гетеротипические (греч. heteros - «разный»).

Межвидовые отношения обычно классифицируются по «интересам», на базе которых организмы строят свои отношения.

Межвидовые взаимодействия бывают:

1.

Нейтральные (0) - организмы не оказывают влияния друг на друга:

Нейтрализм (оба вида не оказывают никакого воздействия друг на друга). Например, взаимоотношение белки и лося в одном лесу, где они не контактируют друг с другом.

2. Взаимополезные (+ +) - между организмами существуют взаимовыгодные полезные связи:

Симбиоз (греч. symbiоsis - «совместная жизнь») - форма взаимоотношений, при которой оба партнера или один из них извлекают пользу от другого, не причиняя при этом ему вреда. Бывает факультативным (необязательным), когда каждый из организмов при отсутствии партнёра может жить самостоятельно, и облигатным (обязательным), когда самостоятельное существование невозможно.

Виды:

Собственно симбиоз - неразделимые взаимополезные связи двух видов, предполагающие обязательное тесное сожительство организмов, иногда даже с элементами паразитизма. Классический пример - лишайники, представляющие собой тесное взаимовыгодное сожительство грибов и водорослей. Благодаря симбиозу лишайники достигли высокого видового разнообразия (более 20 тыс. видов) и получили способность жить в самых суровых условиях: в полярных областях, на голых скалах, на коре деревьев, в высокогорьях.

Мутуализм (оба вида не могут существовать друг без друга, взаимосвязь с взаимной пользой, без элементов паразитирования). Например, человек как мутуалист культурных растений, без которых некоторых одомашненные животные могут погибнуть.

Протокооперация (гр. protos - первый, лат. cooperatio - сотрудничество)

- взаимосвязь полезная для обоих компонентов, но не обязательно присутствующая в жизненном цикле. Например, рак-отшельник и актиния, человек и обитающие в его кишечнике непатогенные бактерии.

3. Полезно-нейтральные отношения (+ другой не испытывает вреда) - один вид получает пользу,

Комменсализм (лат. con mensa - буквально «у стола», «за одним столом») - взаимоотношения видов, при которых комменсал получает пользу от другого вида, не нанося ущерб другому.

Виды:

Квартиранство (сожительство) - использование одними видами других (их тел или их жилищ) в качестве убежища или жилища. Например, кораллы и тропические рыбки, поселение рептилий в норах грызунов, взаимоотношения эпифитов и древесных растений, кишечная палочка (Escherichia coli), которая обитает в кишечнике человека как комменсал, но в определенных условиях оказывается болезнетворной.

Сотрапезничество - потребление разных веществ или частей из одного и того же ресурса. Примером являются взаимоотношения между различнымивидамипочвенныхбактерий-сапрофитов, перерабатывающих разные органические вещества из перегнивших растительных остатков, и высшими растениями, которые потребляют образовавшиеся при этом минеральные соли.

Нахлебничество - потребление остатков пищи хозяина. Например, песцы в тундре следуют за белым медведем и доедают остатки его пищи; акулы и рыбы прилипала; львы и гиены, доедающие добычу.

4. Полезно-вредные (+-) - один из организмов получает выгоду, другой испытывает угнетение:

Хищничество - такой тип взаимоотношений, при котором представители одного вида поедают (уничтожают) представителей другого, т.е. организмы одного вида служат пищей для другого.

Паразитизм - форма взаимоотношений между видами, при которой организмы одного вида (паразита, потребителя) живут за счет питательных веществ или тканей организма другого вида (хозяина) в течение определенного времени.

Виды:

факультативный (клещи, оводы, вши, блохи); облигатный (ленточные черви);

эндопаразитизм (бычий цепень, аскариды, лямблии); эктопаразитизм (клещи, блохи, оводы).

В отличие от хищничества при нападении паразита хозяин не погибает сразу, но испытывает угнетение (нередко в течение длительного времени). Другими словами, паразит изнуряет, но не губит хозяина, поскольку жизнь хозяина обеспечивает его существование.

5. Вредно-нейтральные (-0) - один вид угнетается, другой не извлекает пользы:

Аменсализм (греч. а - отрицательная частица и лат. mensa - стол, трапеза) - тип межвидовых взаимоотношений, при котором в совместной среде один вид подавляет существование другого, не испытывая противодействия. Например, светолюбивые травы, растущие под елью, страдают от сильного затенения, тогда как самому дереву это безразлично.

6. Взаимовредные () - отношения, вредные для обоих организмов:

Конкуренция (от лат. concurrentia - соперничество) - оба вида оказывают друг на друга неблагоприятное влияние. Например, в лесу под защитой светолюбивых пород - сосны, берёзы, осины - сначала хорошо развиваются всходы ели, которые вымерзают на открытых местах, но потом по мере смыкания крон молодых елей всходы теплолюбивых пород гибнут.

Виды могут конкурировать в поисках пищи, укрытий, мест кладки яиц и т.п. Например, конкуренция между хищными птицами и лисами, основной пищей которых служат мышевидные грызуны.

Внутривидовые отношения бывают следующие:

1. Соревнование - отношение между особями в популяции за средства жизни или за самку (самца). Например, в форме «драки».

2. Конкуренция - соперничество за одни и те же ресурсы, происходящее между особями одного и того же вида. Это важный фактор саморегулирования популяции.

Различают два вида конкуренции - прямую и косвенную.

При прямой конкуренции борьба особей-соперников нередко приводит к столкновениям. Так, росомаха может пытаться отнять у рыси добытого зайца. Иногда животные дерутся между собой до смерти. У растений примером прямой конкуренции является аллопатия - выделение токсинов. Например, орех и дуб своими фитонцидами угнетают травянистую растительность под кроной.

Косвенная конкуренция - это конкуренция, которая не предполагает непосредственного взаимодействия особей. Она происходит опосредованно.

Формы проявления внутривидовой конкуренции различны. Например, это может быть территориальное поведение, когда животное защищает место своего размножения и окружающее его пространство. К внутривидовой конкуренции относится и социальная иерархия, характеризующаяся появлением в популяции особей доминирующих и подчинённых.

1. Антагонизм между особями за территорию встречается у белок. Каждая молодая белка занимает собственный участок и остается на нем до конца жизни.

2. Агрессия - форма связей, характеризующаяся истреблением особей своего вида. Среди внутривидовых связей довольно часто встречаются различные формы агрессии, когда истребление одних особей вида другими способствует поддержанию численности популяции, ее плотности на занимаемой территории и обеспечивает высокую жизненность сохранившихся особей.

3. Каннибализм - поедание особей своего вида. Представлен у лососевых. Взрослые рыбы после икрометания гибнут, вмерзают в лед. Весной трупы рыб оттаивают, и их поедает молодь. У гуппи, трески, налима, наоборот - взрослые рыбы способны поедать собственную молодь. Такое встречается и у муравьев, хищных личинок комаров, мышевидных грызунов, медведей и человека.

4. Альтруизм - поведение, проявляющееся в заботе о потомстве, дележке добычи и защите слабого от врагов. Свойственен млекопитающим (дельфинам, приматам, собачьим, кошачьим и др.).

5. Внутривидовой паразитизм:

Эндопаразитизм (самец бонеллии - кольчатого червя, живущего в Средиземном море, является внутренним паразитом самки, поселяясь у нее в канальцах нефридиев, по которым проходят выводимые наружу яйца. Еще на стадии личинок самец попадает в рот, а затем в пищевод и позднее через ткани достигает нефридиев, где и остается жить.

Эктопаразитизм (самка рыбы-удильщика постоянно носит на себе прикрепившегося к ней карликового самца, у которого не развит кишечник и редуцированы зубы).

6. Сотрудничество (группа, колония, стая, стадо). Например, многие насекомые (сверчки, тараканы, саранчовые, тли и др.) в группе растут и созревают быстрее, чем в одиночку. Для выживания стада африканских слонов в нём должно быть не менее 25 особей.

7. Одинокий образ жизни ведут белка, бурый медведь, представители семейства куньих, кошачьих, за исключением львов. Самцы и самки живут порознь и встречаются для создания потомства.

4. Трофическая и энергетическая структура. Экологической системы

В каждой экосистеме можно выделить функциональные блоки, которые параллельно отражают трофическую структуру экосистемы.

Живые организмы в экосистеме связывают пищевые отношения (трофические связи). Трофические связи возникают между видами, когда один вид питается другими: живыми особями, мертвыми остатками, продуктами жизнедеятельности. Питательные вещества, таким образом, переходят из одного организма в другой, образуя непрерывные пищевые цепи.

У живых организмов путем эволюции выработались два типа питания - автотрофное и гетеротрофное.

Автотрофное питание - это самостоятельное питание, основанное на непосредственном преобразовании неорганических веществ (воды, азота, фосфора, углекислого газа) в органические с помощью солнечной энергии в процессе фотосинтеза. Этот тип питания присущ зеленым растениям и некоторым бактериям. В связи с этим в экосистеме верхний ярус образуют автотрофы.

Гетеротрофное питание - это питание уже готовыми органическими веществами; оно присуще в основном животным и большинству микроорганизмов. В связи с этим в экосистеме нижний ярус образуют гетеротрофы.

Полный круговорот веществ в экосистеме происходит с участием продуцентов, консументов и редуцентов.

Начало пищевым цепям дают продуценты.

Продуценты (производители) от лат. producentis - производящий, создающий - автотрофные организмы, синтезирующие органические вещества из простых неорганических веществ, используя фотосинтез или хемосинтез. Например, фотоавтотрофы (зеленые растения и цианобактерии) осуществляют фотосинтез из углекислого газа и воды с выделением кислорода при использовании солнечной энергии. Хемоавтотрофы (автотрофные бактерии) используют для синтеза органических соединений химическую энергию окисления неорганических соединений. Продуценты составляют первый трофический уровень в экосистеме (основание экологической пирамиды).

Следующие звенья цепи питания составляют консументы, которые поедают как продуцентов, так и себе подобных.

...