shpory_Avtosokhranenny
.docx|
Экология в системе наук о природе Можно выделить экологию млекопитающих, экологию приматов и экологию человека различают еще и экологию совокупностей организмов - более крупных систем. В зависимости от объекта исследования, различают следующие разделы экологических наук: экология популяций экология биоценозов экология биогеоценозов или экосистем экология биосферы Общая экология принадлежит к молодым биологическим наукам, изучающих процессы, протекающие в живых организмах и их объединениях. В сферу ее интересов входят изучение целостных свойств экосистем, таких как устойчивость, продуктивность, надежность функционирования, круговорот веществ и баланс энергии. Иными словами, общая экология изучает экосистему как нечто целое, пытаясь определить влияние отдельных элементов или образованных ими подсистем на целостные свойства системы.
Свойства экосистем Одно из свойств системы - соподчиненность элементов.Так, единицей в экологии считают особь популяции, совокупность особей образует подсистему -популяцию,а совокупность популяций, выполняющих сходную функциональную роль в экосистеме, образует следующую подсистему-сообщество.В соответствии с этими элементами различают экологию популяций, экологию сообществ, экологию биоценозов. Любая экосистема является открытой системой, она должна получать,отдавать энергию..Процессы, протекающие в экосистемах, являются общими для различных организмов - от бактерий до млекопитающих. Внешне разнородные признаки и свойства сообществ, присущие экосистемам разных типов, можно объединить в весьма однородные функции и связи между элементами. Все особи сообщества, будучи связаны с окружающей средой функциональной связью, извлекают из нее материальные вещества и обогащают среду продуктамижизнеди. .
Организм, как среда жизни
Постоянство внутренних параметров организма позволяет использование его другими организмами в качестве среды постоянного или временного обитания.Таким образом,живые организмы как бы создают для себя в биосфере еще одну, биотическую, среду обитания. Группа живых организмов, наиболее полно освоивших эту среду обитания - вирусы. Как приспособление к данной среде обитания в ходе эволюции у них усложнился генетический аппарат и крайне упростилось строение, что обусловило невозможность самостоятельного существования. Сходными приспособлениями обладают паразиты из различных систематических групп Возможность использования живого как среды обитания словно замыкает круг всеобщей взаимосвязи в биосфере - мельчайшее звено в биосферном круговороте веществ - организм - выступает как экосистема, в которой в свою очередь формируются достаточно разнообразные сообщества живых организмов.
Температура окружающей среды Температура является важным и часто лимитирующим фактором среды. Распространение различных видов и численность популяций существенно зависят от температуры. Диапазон толерантности у наземных животных в целом больше, чем у водных Изменчивость температуры, временная и пространственная, является мощным экологическим фактором среды. Живые организмы приспосабливаются к различным температурным условиям; одни могут жить при постоянной или относительно постоянной температуре, другие лучше адаптированы к колебаниям температуры. Воздействие температурного фактора на организмы сводится к его влиянию на скорость обмена При низких температурах обмен замедляется или даже приостанавливается, происходит образование кристаллов льда внутри клеток, что приводит к их разрушению, повышению внутриклеточной концентрации солей, нарушению осмотического равновесия и денатурации белков. Морозоустойчивые растения выдерживают полное зимнее промерзание благодаря ультраструктурным перестройкам, направленным на обезвоживание клеток. Семена выдерживают температуры, близкие к абсолютному нулю.
Биогенные элементы и факторы, лимитирующие продукцию В наземных и водных экосистемах важнейшую роль в их продуктивности играет энергия Солнца, т. е. количество поступающей солнечной радиации - основа фотосинтеза, в результате которого автотрофами образуется первичная продукция. Даже в экосистемах одного типа первичная продукция растений может существенно различаться. Как уже было сказано, поступающая энергия Солнца используется неэффективно, и причинами этого в наземных экосистемах могут быть:недостаток воды; недостаток биогенных элементов и минеральных солей; неоптимальные температурные условия; неблагоприятные почвенные условия для конкретных видов растений; потеря значительной части поступающего света на лишенную растительности почву; межвидовые и внутривидовые отношения в биоценозе. В водных экосистемах первичную продукцию лимитируют прежде всей концентрации в воде биогенных элементов, интенсивность солнечной радиации, а также скорость выедания. В водных объектах, где концентрации биогенных элементов высока создаются условия для повышения трофности, и продуктивность соответственно также сильно растет.Большую роль играют сезонные различия освещенности и температуры. В большинстве озер и морей умеренных широт за сезон отмечается два пика биомассы водорослей, достигающих часто уровня "цветения". Загрязнение биосферы Различного рода загрязнения атмосферы, почвы и гидросферы определяются выбросом промышленных, бытовых и сельскохозяйственных отходов, содержащих вещества, не имеющие природных разрушителей и обладающие токсическим действием на живые организмы. В самом общем виде можно сказать, что такие формы влияния на биосферу целиком определяются несовершенством технологических процессов и незнанием закономерностей круговорота веществ в природе. Промышленное влияние на атмосферу включает изменение ее естественного газового состава -, Более опасным представляется процесс постепенного накопления в атмосфере СО2, наряду с изменением естественного соотношения газов в составе атмосферы, в последнее время наблюдается прогрессирующее загрязнениe ее пылью и газообразными веществами промышленных выбросов. В частности, весьма опасными оказываются кислотные выбросы, а также токсичные газы. Промышленная деятельность человека приводит и к загрязнению почв. Основные компоненты такого загрязнения - промышленные и бытовые отбросы, отходы строительства, зола тепловых электростанций, отвалы пустой породы в местах разработки полезных ископаемых и т. п. Эти загрязнения не только скрывают под собой плодородный слой почвы, но и содержат ряд химических элементов, которые в больших количествах токсичны для растений и микроорганизмовБольшую экологическую опасность представляет широкое применение ядохимикатов в сельском хозяйстве, при озеленительных работах в городах и т, д. Одной из острейших проблем современности стало загрязнение пресных вод. Особенно широко распространено и весьма опасно загрязнение морских вод нефтепродуктами.
Биоценоз Термин впервые был использован немецким зоологом Знак равенства Говоря о биоценозе, обычно подчеркивают, что функционирование его осуществляется в определенных условиях среды и ограничивается определенным пространством, которое называют биотопом. Совокупность биоценоза и биотопа называют биогеоценозом. Вопрос о соотношении экологии и биоценологии до сих пор окончательно не решен. В отличие от точки зрения об идентичности понятий "экосистема" и "биогеоценоз" и, соответственно, предмете этих наук, В. Д. Федоров и Т. Г. Гильманов, например, полагают, что биогеоценология не является отдельной областью научного знания, а представляет собой раздел общей экологии, который не должен ей противопоставляться. Согласно представлениям английского эколога А. Тэнсли, биотоп и населяющие его организмы образуют некое функциональное единство - экосистему, или биогеоценоз. По В. Н. Сукачеву, однако, биогеоценоз (биоценоз) не является самостоятельной системой.
Понятие и структура биогеоценоза В зависимости от выполняемых функций в отношении питания все популяции разделяют на три основные группы: продуценты, консументы и редуценты. Каждый биоценоз в экосистеме включает представителей всех трех трофических групп, хотя эти группы состоят из различных популяций организмов и имеют различный видовой состав. Все организмы, выполняющие в экосистеме (биоценозе) одинаковые трофические функции, составляют определенный трофический уровень.Первый трофический уровень образуют автотрофные организмы (автотрофы). Они создают уровень первичной продукции и являются первичными продуцентами. Именно они утилизируют внешнюю энергию солнца, создают массу органического вещества (биомассу), являются основой существования жизни вообще и биоценоза в частности. К числу первичных продуцентов относятся растения, фотоавтотрофные бактерии, а также некоторые хемосинтезирутощие бактерии.В отличие от растений бактерии, грибы и животные не способны строить свое тело из простых химических веществ: им для этого необходимы более сложные органические вещества, богатые энергией. Они получают энергию, питаясь растениями или другими организмами, которые тоже питаются растениями и по характеру питания являются гетеротрофами. Таким образом, они строят свое тело за счет автотрофных организмов, а также организмов, питающихся автотрофами. Их относят к вторичным продуцентам. Количество биомассы, создаваемой на этом уровне, называют вторичной продукцией. Организмы разных групп, так же как и таксонов вообще, по-разному реагируют на антропогенное загрязнение среды обитания, т. е. обладают разной чувствительностью к антропогенному воздействию.
Глобальные круговороты углерода и воды В глобальном масштабе биохимические круговороты воды и углекислого газа имеют, на наш взгляд, самое важное значение для человечества. Для биохимических круговоротов характерно наличие в атмосфере небольших, но подвижных фондов.Атмосферный фонд СО2 в круговороте, по сравнению с запасами углерода в океанах, ископаемом топливе и других резервуарах земной коры, относительно невелик.С наступлением научно-технического прогресса сбалансированные прежде потоки углерода между атмосферой, материками и океанами начинают поступать в атмосферу в количестве, которое не полностью может связаться растениями.Накопление СО в не представляется реальным, но в городах, где воздух застаивается, имеет место повышение концентрации этого соединения, что негативно С энергетической точки зрения можно выделить две части круговорота СО2 : "верхнюю", которая приводится в движение Солнцем, и "нижнюю", в которой выделяется энергия. Как уже отмечалось, около 30 % всей энергии Солнца, поступающей на поверхность Земли, затрачивается на приведение в движение круговорота воды.В экологическом плане особое внимание следует обратить на два аспекта круговорота воды. Во-первых, море за счет испарения теряет больше воды, чем получает с осадками, то есть значительная часть осадков, поддерживающих экосистемы суши, в том числе и агроэкосистемы, состоит из воды, которая испарилась с поверхности моря. Во-вторых, в результате деятельности человека возрастает по верхностный сток и сокращается пополнение фонда грунтовых вод. Уже сейчас имеются территории, на которых используются грунтовы воды, накопившиеся в предыдущем столетии.в этом случае вода - невозобновимый ресурс. После истощения грунтовых вод ее будут доставлять с других территорий, что потребует вложения дополнительного количества энергии.
\
Ноосфера как стадия развития биосферы Глобальный характер взаимоотношений человека со средой его обитания привел к появлению понятия ноосферы под которой понимается "сфера взаимодействия природы и общества, в которой человеческий разум при посредстве технически оснащенной деятельности становится определяющим фактором развития" Кроме научного фактора формирование ноосферы, согласно В. И. Вернадскому, определяется следующими условиями и предпосылками:человечество стало единым целым; ход мировой истории охватил весь земной шар, включив в единый процесс различные культурные области, некогда развивавшиеся изолированно; преобразованисредств связи и обмена сделало регулярным и систематическим обмен веществом, энергией и информацией между различными элементами ноосферы; владение новыми источниками энергии предоставило человеку возможность коренного преобразования окружающей среды; возрастает качество жизни значительного числа людей, трудом и разумом которых создается ноосфера; вполне осознанно равенство всех людей и важность исключения войн из жизни общества. Не отрицая и не сомневаясь в значимости перечисленных условий, следует признать главенствующим в формировании ноосферы именно феномен науки. Если следовать известному выражению Л. Фейербаха о том, что наука есть сознание рода, то мнение В.И. Вернадского о главенстве науки в создании ноосферы представляется философски обоснованным. Каждое научное достижение, опыт и открытие имеют конкретного автора, но, будучи созданным, оно становится достоянием всего человечества, включаясь в качестве элемента в единое родовое знание. Вследствие этого встречающееся иногда отождествление ноосферы с понятием антропосферы неверно по своей внутренней сущности. Никакой синонимичности между этими понятиями нет, так как факт множества людей, хоть и повсеместно расселившихся, далеко еще не является свидетельством о целостности. Наука же как разум рода свидетельствует о наличии неразрывности, о "сфере" как целом.. Концепция ноосферы Вернадского В. И. Вернадский в качестве сущностной характеристики ноосферы видит в феномене науки, представляющей "проявление действия в человеческом обществе совокупности человеческой мысли". Для Т. де Шардена в качестве сути ноосферы проявляется рефлексия, хотя точного определения Т. де Шарден в своих работах не дает, но к рефлексии относит абстракцию, логику, обдуманный выбор и изобретательность, математику, искусство, рассчитанное восприятие пространства и длительности, т. е. знание в самом широком смысле и при любом толковании. Поскольку же рефлексия не распространяется на животных, то можно утверждать, что существует собственно человеческое знание. Таким образом, вполне обоснованным является то, что наука -это всеобщий, коллективный Разум, "сознание" рода. В. И. Вернадский развил концепцию ноосферы как растущего глобального осознания усилившегося вторжения человека в естественные биогеохимические циклы, ведущего, в свою очередь, ко все более взвешенному и целенаправленному контролю человека над глобальной системой. В концепции в полной мере представлен один аспект современного этапа взаимодействия человека и природы - глобальный характер единства человека и природной среды. В период создания концепции ноосферы противоречивость этого аспекта не была столь очевидна, как сейчас. В.И. Вернадский склонялся к тому, что такой сценарий эволюции человеческой цивилизации, бесспорно, утопичен. Подтверждением этого служит факт того, что уже при 6 млрд. людей на нашей планете наметились устойчивые тенденции к глобальному экологическому кризису, темпы развития которых настолько велики, что требуется срочное решение демографических проблем, особенно в так называемых развивающихся странах, где нарастает скорость изъятия невозобновимых ресурсов. Стало ясно, что единство человека и природы противоречиво хотя бы в том плане, что из-за увеличивающегося обилия взаимосвязей между ними растет экологический риск как плата человечества за преобразование природной среды. |
История науки экология1 сведения были связаны с такими центрами древней культуры, как Китай, Египет, Индия, Греция. Уже в работах древнегреческих философов., Аристотель описал 500 животных, их поведения ,приспособления к окружающей среды. Теофраст Эрезийский описывал особености роста растений в разных условиях среды. В эпоху Возрождения продолжалось накопление данных о раститальном и животном мире. Второй период развития экологичекой науки связан с ботанико-географическими исследованиями в природе.вклад в развитие этого направлния исследований внесли систематик растений и животных,ботаники.3 этап системных исследований охватывает конец XIX - первую половину XX вв. и связан с именами российских ученых Заметное место в развитии системных экологических исследований занимают труды немецких,американский и английских ученых. Сам термин был введен зоологом Э.Геккелем. начало развития экологии как самостоятельной науки следует отсчитывать от трудов Э.Геккеля, давшего определение. 1 половине XX в. начались широкие работы по изучению биологических систем. роль совокупностей живых организмов в осуществлении круговорота веществ и поддержании жизни на Земле привело к тому, что в последнее время экологию чаще определяют как науку о биологических система
Основные экологические законы 1Любая природная система может развиваться только за счет использования материально-энергетических окружающей среды. 2Вещество, энергия, информация и качество отдельных природных систем взаимосвязаны настолько, что любое изменение одного из этих факторов вызывает изменения всех систем и их иерархии. 3при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в сторону процесса, ослабляющего внешний эффект. 4при вероятности развития процесса в некотором множестве направлений, допускаемых началами термодинамики, реализуется то, которое обеспечивает минимум рассеивания энергии. 5в открытых системах энтропия не возрастает, а уменьшается до тех пор, пока не достигается постоянная величина, всегда большая нуля. 6упорядоченность организма выше, чем у окружающей среды, и организм отдает в эту среду больше неупорядоченности, чем получает. 7Любая биологическая система, находясь в равновесии с окружающей средой и эволюционно развиваясь, увеличивает свое воздействие на среду, если этому не препятствуют внешние факторы. 8среди конкурирующих экосистем, возможных в данной среде, побеждает та, что наиболее эффективно использует энергию и информацию. 9Закон оптимальности: состав и размер частей экосистем не могут быть произвольными, а должны обеспечивать оптимальное функционирование всей системы в данных условиях среды. 10ни одну эффективную и устойчивую экосистему невозможно построить из тождественны элементов. 11Экосистема, потерявшая часть своих элементов, не может вернуться в первоначальное состояние.
факторов среды, их классификация Для классификации используют различные признаки, учитывающие как многообразие этих факторов, так и их свойства. По отношению к экосистеме экологические факторы делят на внешние и внутренние считают, что внешние факторы, действуя на экосистему, сами не подвержены или почти не подвержены ее влиянию. К ним относят солнечную радиацию, атмосферные осадки, атмосферное давление, скорость ветра и течений и т. д. Внутренние факторы соотносятся со свойствами самой экосистемы и образуют ее, т. е. входят в ее состав. Такое разделение на практике зависит от постановки задачи исследования. Каждый фактор имеет свою область определения. Под этим понимают совокупность всех значений, которые может принимать данный фактор. По критерию "жизни" экологические факторы делят на биотические и абиотические. К последним относят неживые компоненты экосистемы и ее внешней средыКлассификация экологических факторов по их свойствам по отношению к экосистеме включает деление их на климато-географические, биогеографические, биологические, а также почвенные, водные, атмосферные и т. п. Условия существования организмов и популяций можно рассматривать как регулирующие экологические факторы. Все эти проблемы являются самостоятельными разделами биологической науки, в той или иной мере связанными с экологией.
Влажность
Вода представляет собой ресурс, относящийся ко всей экосистеме. Она составляет основную массу организмов животных и растений. Ткани большинства Внутренняя среда практически всех известных организмов является водной, и все обменные процессы протекают именно здесь. Водный обмен протекает в двух направлениях: поступление воды в организм и выделение воды из организма. Животные получают воду в виде питья и с пищей. Многие организмы способны получать и отдавать воду через кожные покровы или специализированные участки кожи. Количество осадков зависит в основном от перемещения воздушных масс. Влажность характеризует содержание водяного пара в воздухе. Количество пара в воздухе зависит от температуры и давленияНаземным организмам приходится экономить воду, но их способности в этом отношении сильно варьируют. Животные теряют влагу с испарениями, а также путем выделения конечных продуктов обмена веществ. Компенсацией потерь воды у животных служит ее поступление с пищей и питьем. В неблагоприятных условиях животные часто сами регулируют свое поведение так, чтобы избежать недостатка влаги: переходят в защищенные от иссушения места, ведут ночной образ жизни.
Экологические ниши Положение каждого вида и популяции в биоценозе зависит от наличия необходимых для их жизнедеятельности условий среды, прежде всего абиотических факторов, а также от взаимоотношений с другими видами и популяциями. Таким образом, каждый вид занимает определенное положение в составе экосистемы и выполняет определенные функции, обеспечивающие стабильность его позиций и стабильность биоценоза и экосистемы в целом. Это положение вида называют экологической нишей. Понятно, что реализованная ниша всегда меньше фундаментальной, так как все условия жизнедеятельности, в том числе благоприятные отношения с другими видами, обычно не бывают полностью обеспечены. Говоря об экологической нише, биологи всегда анализируют эволюционный комплекс приспособлений, от которого зависит успех выживания вида в данной экологической нише, называя эти приспособления жизненными формами видов. Часто совершенно разные виды организмов имеют выраженное морфологическое сходство и занимают одинаковые экологические ниши. Так, например, ихтиозавр, тунец и дельфин имеют сходные приспособления для быстрого плавания, хотя не являются "родственниками". Классификацию жизненных форм можно провести по самым разнообразным признакам: по обитанию в различных средах, по типам движения, способам и приспособлениям для питания, приспособлениям к колебаниям температуры, способам размножения и т. п. Виды, занимающее сходное положение в экологической нише, могут замещать друг друга, причем возможность такого замещения зависит от возраста и состояния экосистемы.
Изменение ландшафтов В современных условиях антропогенное изменение ландшафтов представляет собой наиболее мощный и постоянный фактор, оказывающий влияние на видовой состав, структуру и экологические связи в экосистемах.. Экологические механизмы влияния преобразования ландшафта на биоценозы известны пока лишь в самых общих чертах. В схеме можно говорить о следующих главных направлениях этого процесса:Антропогенные изменения ведут к обеднению видового состава и упрощению биоценотических связей в экосистеме; упрощение почти всегда связано со снижением устойчивости систем как к внешним воздействиям, так и к нарушениям динамического равновесия внутрисистемных взаимосвязей. Вместе взятые, эти свойства антропогенно измененных ландшафтов определяют дифференцированную реакцию живых организмов на новые условия и лежат в основе антропогенных сукцессии преобразуемых человеком экосистем. Несомненно, на изменении экосистем сказываются не только вносимые в них новые элементы, но и преобразование самих исходных сообществ под действием хозяйственной деятельности. В открытых ландшафтах это, в частности, относится к влиянию животноводства, вызывающего перестройки типа растительности, а соответственно и животного населения. Во всех случаях принципы антропогенных перестроек биоценозов основываются на разнокачественности видов исходного сообщества по их реакции на вносимые человеком изменения.
Биоценология Популяции различных видов живых организмов, заселяющие общие места обитания, неизбежно вступают в определенные взаимоотношения в области питания, использования пространства, влияния на особенности микро- и мезоклимата и т. д. Длительное совместное существование лежит в основе формирования многовидовых сообществ - биоценозов в которых подбор видов не случаен, а определяется возможностью непрерывного поддержания круговорота веществ; только на этой основе в принципе оказывается возможным устойчивое существование любой формы жизни. Биоценоз представляет собой эволюционно сложившуюся форму организации живого населения биосферы, многовидовую биологическую (экологическую) систему. В ее состав входят представители различных таксонов, отличающиеся по своим экологическим и физиологическим свойствам и связанные по многим формам биологических отношений как между собой, так и с окружающей их неорганической (абиотической) средой. Именно эти связи как принципиальная характеристика многовидовых сообществ, определяющая их целостность и способность к самоподдержанию, подчеркивались уже первыми исследователями экосистемного уровня организации Все сложные формы биоценотических отношений осуществляются в определенных условиях абиотической среды. Рельеф, климат, геологическое строение земной коры, гидрографическая сеть, гидрологические условия в водоемах и многие другие факторы оказывают определяющее влияние на состав и биологические особенности видов, формирующих биоценоз, служат источником неорганических веществ, поступающих в круговорот, аккумулируют продукты жизнедеятельности.
Обмен вещества и энергии в экосистемах. Сети питания Взаимоотношения между видами разных трофических уровней образуют систему трофических цепей (цепей питания). Трофические цепи, представленные продуцентами и консументами, рассматривают как особую структурную единицу экосистемы - ее пастбищные цепи (пастбищную составляющую). Процессы деструкции и минерализации органических веществ образуют так называемые цепи разложения (детритные цепи). Между членами трофической цепи складываются сложные отношения, и именно они обеспечивают устойчивость биоценоза, существование и жизнедеятельность популяций и видов. Совокупность трофических цепей формирует трофическую структуру экосистемы (биоценоза). Чем больше видовое разнообразие биоценоза, тем полнее используются ресурсы на каждом трофическом уровне. Часто говорят о полноте биогенного круговорота веществ, связанного с биоразнообразием. Учитывая тот факт, что большинство животных использует в пищу значительный набор объектов, следует ожидать появления, наряду с вертикальными, горизонтальных пищевых связей, которые также повышают устойчивость биоценозов и экосистемы в целом. Горизонтальные и вертикальные связи образуют так называемые пищевые сети. Таким образом в природе формируются дублирующие механизмы.
Круговорот азота Азот, как и углерод, входит в состав атмосферного воздуха и присутствует в нем в виде молекул (Мд). Он играет важную роль в жизнедеятельности организмов. Как и кислород, азот необходим для дыхания животных. Азот входит в состав многих органических соединений, прежде всего белка. В молекуле белка он образует прочные амидные связи с углеродом или соединяется.с водородом, присутствуя в виде аминных Образующиеся в растениях азотсодержащие органические соединения по трофическим цепям попадают в организм гетеротрофов (животных), а также в почву - после отмирания растений. В почве они подвергаются распаду при участии сапрофагов, минерализуются и используются затем другими растениями. Конечным звеном разложения являются организмы-аммонификаторы, образующие аммиак (NH3 ). Аммиак включается в реакции нитрификации, т. е. образования нитритов и их превращения в нитраты. Таким образом цикл круговорота азота в почве Приостановление круговорота азота может происходить вследствие его накопления в глубоководных океанических осадках. При этом азот выключается из кругооборота на несколько миллионов лет. Потери компенсируются поступлением газообразного азота при вулканических извержениях. Круговорот азота является примером хорошо забуференного круговорота газообразных веществ. Он является важным фактором, лимитирующим или контролирующим численность организмов. Круговорот азота достаточно подробно изучен.
Демографические проблемы Украины На протяжении последних лет в динамике здоровья населения Украины наметился ряд отрицательных тенденций, в определенной мере связанных с неудовлетворительной экологической ситуацией. В Украине с начала 90-х годов отсутствует естественный прирост населения, а продолжительность жизни на 6 лет болеенизкая, чем в развитых странах. Известный голодомор в начале 30-х годов привел к человеческим жертвам, которые оцениваются приблизительно в 10 миллионов - это 31,4 % общей численности населения Украины по переписи 1937 г. (30,2 млн. человек). А за десятилетие, куда вошли Вторая Мировая война и восстановительный период, количество населения уменьшилось с 41,3 млн. человек (в 1940 году) до 37,2 млн. человек в 1951 г. Только в 1959 году она уравнялась с довоенным уровнем. После этого общая численность населения начала возрастать, но темпы этого роста постепенно замедляются так, что в 1991 году наступает критическая граница, - естественный прирост населения становится отрицательным. Невысокие показатели рождаемости за последние годы (в некоторых случаях даже немного ниже, чем по Украине) наблюдаются в большинства западноевропейских стран. Но прирост населения сохраняется там за счет относительно небольшой смертностиВ конце XX столетия коэффициент рождаемости в Украине был одним из наиболее низких Все изложенное вызовет необходимость расширения и углубление научных исследований влияния факторов окружающей среды на жизнедеятельность человека.
Техносфера. Техногенез Техногенезом в истории цивилизации называют создание техники и технологий, создание человеком все более совершенных орудий и устройств для воздействия на окружающий мир с целью производства и потребления благ. Основные тенденции техногенеза: значительные участки экосферы замещаются техносферой. Техносфера - это глобальная совокупность орудий, объектов, материальных процессов и продуктов общественного производства, или пространство геосфер Земли, находящееся под воздействием производственной деятельности человека и занятое ее продуктами. Функциональной единицей техносферы является природно-промышленная система. Природно-промышленные системы - это комплекс хозяйственных и промышленных объектов (промышленная среда), находящийся во взаимосвязи с окружающей природной средой. В этой системе имеет место обмен веществом, энергией и информацией, взаимное влияние и воздействие элементов. Причем "видом-эдификатором" (компонентом, определяющим структуру экосистемы), как правило, является промышленный объект. Составные части природно-промышленных систем - объекты промышленности, сельского хозяйства, коммунально-бытовой сферы, объекты природоохранного назначения и окружающая природная среда.
|
Предмет, объекты и задачи экологических наук Основная задача экологии - исследование взаимосвязей элементов в экосистемах, изучение законов и принципов функционирования различных экосистем с тем, чтобы дать рекомендации по охране окружающей природной среды, рациональному природопользованию и воспроизводству прир. ресурсов. Экология является теоритической основой охраны окружающей среды, а также научной базой рационального природопользования. Предметом изучения как научной дисц. являются взаимоотношения и взаимодействия биоты с окруж. ее средой обитания.. 1) живые организмы 2) популяции 3) сообщества. Объектом изуч. экологии явл. экосистемы, в кот. живые организмы взаимодействуют между собой и окруж. их средой обитания. Экология связана почти со всеми отраслями знаний и часто рассматривается как мировоззренческая наука. Можно привести много примеров проникновения понятий других наук - географии, физики, химии, метрологии, и пр. в экологию и наоборот. Понятия экологии, такие как экологич. ниша, экосист, биота и др. широко использ. специалистами разл. областей знаний. необх . знание и учет эколог. проблем современности
Гидросфера В понятие гидросферы включают все типы водоемов. В ней выделяют Мировой океан, континентальные воды и подземные воды. Основная масса воды сосредоточена в водоемах океанического типа В толще Мирового океана сложились комплексы живых организмов, свободно "парящих" в воде и самостоятельно поддерживающих круговорот веществ. Благодаря этому жизнь распространена в гидросфере по всей ее толщине, встречаясь даже в самых глубоководных океанических Водная оболочка Земли отличается довольно низким содержанием растворенного в ней кислорода. Для крупных животных, размеры тела которых не позволяют дышать путем прямого проникновения кислорода через поверхность тела, эти условия послужили стимулом к развитию дыхательной системы с большей, чем у наземных организмов, эффективностью газообмена
Концепция лимитирующих факторов. Закон минимума Либиха Взаимоотношения организма со средой представляют собой сложный процесс, в котором можно выделить наиболее слабые звенья. Идея о том, что выносливость организма определяется самым слабым звеном среди всех его потребностей, впервые была высказана К. Либихом Он сформулировал принцип, который известен как закон минимума Либиха: "Веществом, находящимся в минимуме, управляется урожай и определяется величина и устойчивость последнего во времени". Выводы К. Либиха касались роли питания в жизни растений и сводились к тому, что рост растений и их урожайность лимитируется не теми элементами питания, которые необходимы и потребляются в больших количествах, а теми, которые используются в микроколичествах, но которых в почве очень мало. Современная формулировка закона Таким образом, принцип, первоначально сформулированный К. Либихом, в настоящее время распространен на любые экологические факторы, но он дополнен двумя ограничениями: относится только к системам, находящимся в стационарном состоянии; относится не только к одному фактору, но и к комплексу факторов, различных по своей природе и взаимодействующих в своем влиянии на организмы и популяции. По сложившимся представлениям, лимитирующим считают такой фактор, по которому для достижения заданного (достаточно малого) относительного изменения отклика требуется минимальное относительное изменение этого фактора.
Соленость Водный обмен теснейшим образом связан с солевым. Он приобретает особое значение для водных организмов. Наземные организмы имеют в той или иной мере специализированные структурно-функциональные образования, обеспечивающие водной-солевой обмен. Известны многочисленные варианты приспособлений к. солевому составу среды и его изменениям у обитателей суши. Эти приспособления становятся решающими в тех случаях, когда вода является лимитирующим фактором жизни. Многие беспозвоночные животные, например амфибии, обитают во влажных наземных биотопах благодаря особенностям водно-солевого обмена, которые сходны с обменом у пресноводных животных. По-видимому, такой тип приспособления сохранился в ходе эволюции при переходе из водной среды обитания в наземную. Солеустойчивость различных видов растений существенно отличается. На засоленных почвах обитают галофиты - растения, которые переносят большие концентрации солей. Они накапливают в тканях до 10 % солей, что ведет к повышению осмотического давления и способствует более эффективному насасыванию влаги из засоленных почв. Некоторые растения выводят избыток солей через специальные образования на поверхности листа, другие обладают способностью связывать соли с органическими веществами в протопластах.
Межвидовые и внутривидовые связи в экосистеме Сосуществование различных видов и популяций в экосистеме приводит к образованию связей, в основе которых лежит питание и местообитание. Соответственно их называют трофическими и топическими. На этой основе возникают различные типы отношений между видами; они могут быть прямыми или косвенными .Такие связи могут быть выгодными или невыгодными для участников. В зависимости от "выгоды" выделяют три типа межвидовых связей: антибиоз, нейтрализм и симбиоз. Антибиоз имеет негативный характер, в основе этой связи лежит конкуренция в борьбе за жизненные ресурсы. Конкуренция возникает в тех случаях, когда два или более видов используют одни и те же ресурсы: пищу, пространство, убежища и т. пТаким образом, конкурентные взаимоотношения оказывают существенное влияние на структуру биоценоза.Тесные функциональные взаимодействия, выгодные для обоих видов или одного из них, называют симбиозом. Симбиотические связи широко распространены в природе. Паразитами называют животных, которые живут за счет особей другого вида, будучи тесно связаны с ними в своем жизненном цикле на большем или меньшем его протяжении. Паразиты питаются соками тела, тканями или переваренной пищей своих хозяев Например, муравьи имеют тесные фабрические связи с хвойными деревьями, опад которых является строительным материалом для муравейниковВ водных экосистемах хорошо известны поселения моллюсков на других гидробионтах, которые, мигрируя, способствуют освоению этими моллюсками новых жизненных пространств. К форическим следует отнести взаимоотношения между животными и растениями, пыльцу или семена которых они распространяют.
Популяция. Основные характеристики. Кривые выживания Популяцией называют наименьшую экологическую единицу вида - совокупность особей одного вида, живущих на одной территории длительное время и свободно скрещивающихся. Основные характеристики: полная численность, плотность расселения, генетическая структура, данные о вероятности выживания, тип пространственного распределения особей, возрастное распределение особей (демографическая пирамида), способ размножения и плодовитость, социальная организация. Кривыми выживания называются зависимости количества выживших особей популяции от их возраста..
Трофическая структура биоценозов Основная функция биоценозов - поддержание круговорота веществ в биосфере - базируется на пищевых взаимоотношениях видов. Именно на этой основе органические вещества, синтезированные автотрофными организмами, претерпевают многократные химические трансформации и в конечном итоге возвращаются в среду в виде неорганических продуктов жизнедеятельности, вновь вовлекаемых в круговорот. Поэтому при всем многообразии видов, входящих в состав различных сообществ, каждый биоценоз с необходимостью включает представителей всех трех принципиальных экологических групп организмов - продуцентов, консументов и редуцентов. Полночленность трофической структуры биоценозов - аксиома биоценологии (в гидробиологии иногда принято говорить о неполночленных биоценозах, существующих за счет энергии привносимого извне органического вещества, но по сути дела такие системы не самостоятельны и не обладают способностью к самоподдержанию). В конкретных биоценозах продуценты, консументы и редуценты представлены популяциями многих видов, состав которых специфичен для каждого отдельного сообщества. Функционально же все виды распределяются на несколько групп в зависимости от их места в общей системе круговорота веществ и потока энергии. Равнозначные в этом смысле виды образуют определенный трофический уровень, а взаимоотношения между видами разных уровней - систему цепей питания. Совокупность трофических цепей в их конкретном выражении, включающем прямые и косвенные взаимоотношения составляющих их видов, формирует целостную трофическую структуру биоценоза Развитие и эволюция экосистем. Сукцессии и климаксИзменение видовой структуры и биоценотических процессов в экосистеме называют сукцессией экосистемы Понятие появилось вначале в ботанике. Сукцессия завершается формированием нового сообщества, которое адаптировано к климатическим условиям. Такое сообщество он назвал "климакс-формацией", или просто климаксом. Сукцессии проходят через фазу обнажения (появления незаселенного пространства), миграции (заселения его первыми поселенцами - пионерами), колонизации и приспособления к конкретным условиям обитания, соревнования (конкуренции с вытеснением ряда видов-пионеров) и реакции (обратного воздействия сообществ на биотоп и условия среды) к стабилизации - формированию климаксного биоценоза.Помимо климата в развитии сукцессии сейчас признается ролы других факторов, а принципиальное отличие заключается в том, что климаксй считается временным состоянием. По современным представлениям, климакс (климаксное сообщество) является завершающей стабильной стадией развития экосистемы. Экосистема или сообщество, находящиеся в состоянии климакса, поддерживают себя неопределенно долго, все внутренние компоненты уравновешены друг с другом и с окружающей средой. Годовая продукция и "импорт" уравновешиваются годовым потреблением и "экспортом". В тех местах, где рельеф местности, почва, водный режим и регулярные возмущения, например пожары, препятствуют развитию экосистемы до теоретически конечного состояния, сукцессия заканчивается так называемым "эдафическим климаксом". Последний представляет собой модификации стационарных состояний, соответствующих особым - местным - условиям субстрата. Круговорот фосфора
Фосфор также является элементом, необходимым для питания живых организмов, играет важнейшую роль в росте и развитии растений. Резервуаром фосфора, в отличие от азота, служит не атмосфера, а горные породы и другие отложения, образовавшиеся в прошлые геологические эпохи. Минеральный фосфор входит в состав многих горных пород. Он попадает в гидросферу в ходе их эрозии, отлагается в виде осадков на мелководьях, частично осаждается в глубоководных илах. У животных фосфор в виде органических соединений (с белками, в частности) входит в состав костей и других тканей. Он также играет роль в энергетических процессах запасания энергии клеток в виде аденозинтрифосфорной и аденозиндифосфорной кислот. В результате разложения мертвых организмов и минерализации органических соединений фосфор в виде фосфатов (солей ортофосфорной кислоты) вновь используется растениями и тем самым снова вовлекается в круговорот. Выведение фосфора из круговорота происходит вследствие его накопления в донных осадках. Круговорот фосфора является примером простого осадочного цикла с недостаточной "забуференностью" и нарушенными механизмами саморегуляции вследствие антропогенного воздействия на окружающую среду. Существует мнение, что механизмы возвращения фосфора в круговорот недостаточны и не возмещают потерь, связанных с техногенезом. В то же время, как уже отмечалось, фосфор жизненно необходим для растений и относится к числу факторов, лимитирующих численность растительных и других организмов, входящих в трофические цепи. Демография человеческого вида Географическое пространство экологической ниши человека занимает более ¾ площади суши (без Антарктиды) - около 105 млн. км2 и во много раз больше любого другого видового ареала наземных животных. Причем более 70% населения сосредоточено на площади около 7% суши, составляющих наиболее густонаселенные районы мира.Численность видов животных в природе ограничиваются емкостью среды. Как правило, виды мелких животных имеют большую численность по сравнению с видами крупных животных Современная численность ближайших родственников человека - человекообразных обезьян - близка к 10 тыс.На протяжении многих тысячелетий население Земли росло чрезвычайно медленно. Начиная с эпохи Великих географических открытий темпы роста народонаселения значительно возросли и приблизились к экспоненциальной закономерности, затем (с 1600 по 1990 гг.) рост населения Земли напоминал гиперболу. В последние годы рост численности приблизился к линейному со средним значением абсолютного прироста около 86 млн. человек в год. По прогнозам Фонда народонаселения ООН этот темп сохранится до 2015 г., когда общая численность людей достигнет 7,5 млрд. Рост численности населения в XX веке называю "демографическим взрывом".С экологической точки зрения рост человечества в XX веке имеет характер, больше свойственный r-стратегам - в основном примитивным организмам, у которых часто вслед за резкой вспышкой численности (демографический взрыв) следует массовая гибель. Для отдельных популяций К-стратегов (приматов, копытных, хищников), но никогда для вида в целом, максимальный размах численности иногда достигает 500%.
|
Основные направления науки экологияТеоретическая экология включает раздел "экология живых организмов". Основные подразделы: экология микромира, экология растений, экология животных, экология человека.Практическая экология объединяет три раздела:науки об охране и рациональном использовании природных ресурсов науки о социально-экономических факторах влияния на окружающую среду объединяет такие важные новые подразделы экологической науки науки о техногенных факторах влияния на окружающую среду Основными структурными элементами раздела являются экология энергетики Все разделы тесно связаны и используют данные других разделов экологии для своих исследований, оценок и прогнозов.вмешательством в процессы жизнедеятельности биосферы, должны приниматься с учетом их ближайших и отдаленных экологических последствий. обобщающим понятием является (общая) экология - наука о сохранения и стабильного развития жизни на Земле. Она обобщает всю экологическую информацию, поступающую из других разделов, и на основе анализа этих данных и моделирования развития экологической ситуации на планете способствует принятию решений, касающихся реализации стратегических планов развития цивилизации.
Атмосфера Свойства газовой оболочки Земли неодинаковы по вертикали. В частности, большое значение имеет высотное падение атмосферного давления, Не вполне одинаков и газовый состав на разных высотах, с чем связано деление атмосферы на гомосферу и гетеросферу,озоновый экран имеет огромное значение для сохранения жизни на Земле: в слое озона поглощается большая часть идущего от Солнца ультрафиолетового излучения До поверхности доходит только мягкая часть потока УФ-излучения Воздух как среда жизни обладает особенностями, направляющими эволюционное развитие обитателей этой среды. Кроме того, атмосферный воздух отличается низкой и изменчивой влажностью, что ограничило возможности освоения воздушной среды, а у ее обитателей направило эволюцию системы водно-солевого обмена и структуру органов дыхания. Многообразие жизненных форм в наземной среде более определяется зональными климатическими и ландшафтными факторами. Крупнейшие из них - полярные пустыни, тундры, леса умеренного климата (хвойные, лиственные), степи, саванны, пустыни, тропические леса. Прозрачность атмосферы определяет то обстоятельство, что до поверхности планеты доходит порядка 47% падающего на внешнюю границу планеты потока солнечного излучения. Немногим менее половины его составляет фотосинтетически активная радиация с длиной волны 380 - 710 нм.
Закон толерантности .Закон толерантности, сформулированный В. Шелфордом, был дополнен рядом положений: организмы могут иметь широкий диапазон толерантности в отношении одного фактора и узкий - в отношении другого; наиболее широко распространены организмы с большим диапазоном толерантности; диапазон толерантности для одного экологического фактора может зависеть от других экологических факторов; если условия по одному экологическому фактору не оптимальны для вида, то это сказывается и на диапазоне толерантности для других экологических факторов; пределы толерантности существенно зависят от состояния организма; так, пределы толерантности для организмов в период размножения или на стадии личинки обычно уже, чем для взрослых особей; в природных популяциях существенное влияние на диапазон толерантности могут оказывать межпопуляционные отношения (конкуренция, хищничество, паразиты и т. п.). Закон минимума и закон толерантности сыграли существенную роль в прикладных экологических работах и позволили понять распределении организмов в различных природных условиях, обосновать научно-исследовательские программы, а также повысить эффективность ряда агротехнических приемов.
Реакция среды (рН) Распространение и численность популяций существенно зависит от реакции почвы или водной среды. Загрязнение атмосферного воздуха вследствие сжигания ископаемого топлива (чаще всего диоксидом серы) приводит к отложению сухих ацидогенных частиц и выпадению дождя, состоящего, по сути, из слабой сернистой кислоты. Выпадение таких "кислых дождей" вызывает закисле-ние различных объектов окружающей среды. Сейчас проблема "кислых дождей" стала приобретать глобальный характер. Влияние закисления сводится к следующему. Резко отрицательное воздействие оказывает на биоту закисление водных экосистем. Повышенная кислотность действует негативно в трех направлениях:
В пресноводных экосистемах определяющую роль в реакции среды играет кальций, который наряду с диоксидом углерода определяет состояние карбонатной системы водных объектов. Присутствие ионов кальция имеет значение и для поведения остальных компонентов, например железа. Поступление кальция в воду связано с неорганическим углеродом карбонатных пород, из которых происходит его выщелачивание.
Экологические классификации и группы организмов Выделение различных групп организмов в биоценозе особенно важно для практики мониторинга экосистем. При анализе видового состава биоценоза обычно ограничиваются определением такового в конкретной группе организмов. Прежде всего делят население на флору и фауну. Затем используют самые разнообразные критерии для выделения групп. Консорцией называют совокупность видов, связанных пищевыми, топическими и другими связями между собой и с видом, который считают видом-эдификатором. Обычно это растение-автотроф. Например, ель (вид-эдификатор) со всеми организмами, которые связаны с ней топическими, вещественными, энергетическим связями, по которым обеспечивается возможность трансформации (или даже круговорота) веществ в этой единице биоценоза, является консорциумом. Гильдия - это группа видов, использующих один и тот же класс ресурсов среды одинаковым способом. Сюда входят виды, экологические ниши которых существенно перекрываются в их потребностях, т. е. виды одной трофической группировки. Гильдия, по существу, является синонимом понятия "трофическая группировка". Топические взаимоотношения включают борьбу за территорию обитания и охоты, конкуренцию из-за убежищ и т. п. Таким образом, группы организмов, выделяемые по признаку трофики или пространственного положения, участвуют в разных процессах круговорота вещества и энергии, но тесно связаны друг с другом. Используя другие критерии, например, химические круговороты веществ, можно выделить такие структурные компоненты экосистемы, как неорганические вещества (углерод, азот, фосфор, углекислота, вода) и ......
Организация на популяционном уровне. Свойства популяционной группы Если среда не оказывает ограничивающего влияния, то специфическая скорость роста популяции для данных микроклиматических условий постоянна и максимальна. В таких благоприятных условиях скорость роста характерна для некоторой возрастной структуры популяции и служит единственным показателем наследственно обусловленной способности популяции к росту. Общая скорость роста популяции в отсутствие лимитирующего влияния среды зависит от возрастного состава и вклада в репродукцию различных возрастных групп. Типы роста популяций. Представление о емкости местообитания. В зависимости от характера роста численности популяций выделяют различные типы их роста В простом, или идеальном, случае усиление действия неблагоприятных факторов в зависимости от плотности популяции является линейным и его можно записать следующим образом:
Следует отметить, что для описания изменений численности популяции существует много математических уравнений, решение которых можно представить графически в виде S-образных кривых. Это справедливо почти для любого уравнения, в котором увеличение отрицательных факторов находится в какой-либо зависимости от плотности популяции. Для сравнения экспериментальных данных с теоретической кривой следует убедиться в том, что показатели, входящие в уравнение, характеризуют воздействия, регулирующие плотность популяции. Ситуации, когда сопротивление среды возрастает линейно при увеличении плотности, могут иметь место в популяциях с простым жизненным циклом. В более высокоорганизованных популяциях, со сложным биологическим циклом и длительными периодами индивидуального развития, изменения, вероятно, отсрочены во времени.
Пространственная структура биоценозов Определение биоценоза как системы взаимодействующих видов, осуществляющей цикл биогенного круговорота, предусматривает минимальный пространственный объем этого уровня биосистем. Видовые популяции в составе биоценоза закономерно располагаются не только по площади, но и по вертикали в соответствии с биологическими особенностями каждого вида. Благодаря этому экосистема всегда занимает определенное трехмерное пространство; соответственно и межвидовые взаимоотношения имеют не только функциональную, но и пространственную направленность. Наиболее широко распространенная форма фабрических связей - использование в строительной деятельности различных растительных материалов: стеблей трав, мха, лишайников, веток деревьев и т. д. При сооружении жилищ широко используется шерсть млекопитающих, перья и пух птиц, раковины моллюсков и т. п. Именно так сооружаются гнезда птиц, "домики" ручейников, так изготавливается выстилка в норах млекопитающих. Некоторые тропические древесные лягушки сворачивают крупные листья в виде воронки, в которой накапливается дождевая влага, и используют их для откладки икры. Тесные фабрические связи характерны для муравьев и хвойных деревьев, опад которых составляет основу строительного материала муравейников. . Такие связи формируются, например, между крупными водными позвоночными и поселяющимися на их теле организмами-обрастателями (гидроидные полипы, некоторые моллюски, водоросли и др.). Летающие насекомые могут переносить на себе большие скопления гамазовых клещей от одного места их кормлений (трупы, помет) до другого. Рак-отшельник "транспортирует" своего сожителя-актинию. Показано, что совершающие весеннюю миграцию амбистомы способны транспортировать на своем теле двустворчатых моллюсков Pisidium adansi.
Современные представления о биосфере. Эволюция биосферы Крупномасштабные изменения, представленные вековыми сериями сменяющих друг друга на протяжении столетий экосистем, вследствие изменений климата, рельефа местности и других характеристик поверхности Земли охватывали целые геологические периоды.Первые экосистемы, существовавшие 3 млрд лет назад, были населены анаэробными гетеротрофными микроорганизмами - цианобактерия-ми, существовавшими за счет органического вещества, которое синтезировалось в абиотических процессах. Затем возникли автотрофные водоросли, которые, по-видимому, сыграли одну из главных ролей в превращении восстановительной атмосферы в кислородную. С этого момента на протяжении длительного геологического времени эволюция организмов шла по пути создания все более сложных и разнообразных систем. Принято считать, что естественный отбор, который действовал на видовом или даже более низком уровне организации, сыграл главную роль в эволюции организмов. Структура и фунциональное строение биосферы. Биосфера - "область жизни", пространство на поверхности земного шара, в котором распространены живые существа.Обсуждая особенности Земли как планеты, он писал: "Одно кажется чужеродным на этом большом, состоящем из сфер небесном теле, а именно органическая жизнь: На поверхности материков можно выделить самостоятельную биосферу". Т.е. термин "биосфера" был употреблен в топологическом смысле и вошел в обиход, не имея четкого определения.Каждая из геологических оболочек планеты имеет свои специфические свойства, определяющие не только набор форм живых организмов, обитающих в данной части биосферы, но и их основные морфофизиологические особенности, формируя своим влиянием принципиальные пути эволюции и становление фундаментальных черт жизненных форм наземных, водных и почвенных организмов. Таким образом, воздушная, водная и почвенная оболочки земного шара представляют собой не просто пространство, заполненное жизнью, но выступают как основные среды жизни, активно формирующие ее состав и биологические свойства. Круговорот серы Минеральная сера попадает в почву в результате естественного разложения серного и медного колчеданов в горных породах. Она переносится с атмосферными осадками и попадает в наземные и водные экосистемы.Для круговорота серы характерен обширный резервный фонд в почве и отложениях и меньший фонд - в атмосфере.В быстро обменивающемся фонде серы ключевую роль играют специализированные группы микроорганизмов (сульфатокисляющих и сульфатредуцирующих).Сера является компонентом белков и входит в состав ряда аминокислот: цистина, цистеина, метионина. Эти аминокислоты синтезируются растениями, использующими минеральную серу. В организм животных сера попадает с растительной пищей. "Кольцо" в центре схемы иллюстрирует процессы окисления (О) и восстановления (R), благодаря которым происходит обмен серы между фондом доступного сульфата (SO4 ) и фондом сульфидов железа в почве и в осадках. Специализированные микроорганизмы выполняют реакции: H2S S2 SO4 - бесцветные, зеленые и пурпурные серобактерии; SO4 H2 S (анаэробное восстановление сульфата) - Desulfovibrio; H2S SO4 (аэробное окисление сульфида) - тиобациллы; органическая S в SO4 и H2 S - аэробные и анаэробные гетеротрофные микроорганизмы соответственно. Первичная продукция, разумеется, обеспечивает включение сульфата в органическое вещество, а экскреция животными служит путем возвращения сульфата в круговорот. Двуокись серы (SO2 ), выделяющаяся в атмосферу при сжигании горючих ископаемых, особенно угля, является одним из самых опасных компонентов промышленных выбросов (по Ю. Одуму
Охрана видов и экосистем Охрана видов и целых екосистем необходима по многим причинам. Во-первых, биоразнообразие живых организмов, которое является следствием их длительной эволюции, составляет одно из главных условий устойчивости биосферы во времени. Обедненность екосистем вследствие сокращения численности особей или уменьшения количества видов нарушает их устойчивость и вызывает снижение биохимической активности. На рис. 1 приведены главные направления оптимизации природоохранных комплексов в Германии. Во-вторых, естественные биоценозы следует охранять, поскольку из них мы черпаем материалы для улучшения сортов растений и пород сельскохозяйственных животных, производства химических препаратов для борбы с вредителями и, что очень важно, для производства лекарственных веществ. Биотехнология (отрасль прикладной науки, использующая свойства живых организмов (биосинтез, воспроизводство генетического материала) для производства нужных человеку процессов) переживает свой расцвет, а свойства многих живых организмов планеты еще не исследованы. Природоохранные мероприятия не ограничиваются защитой отдельных видов, под защиту берутся целые экосистемы, которые включают в состав заповедников, национальных парков, заказников, резерватов. стране насчитывается 14 государственных заповедников, из них 2 (Черноморский и "Аскания-Нова") - биосферные и 3 национальных парка (Шацкий, Карпатский и Синевирский) общей площадью 265 тыс. га, 1686 государственных заказников, 2671 памятник природы, 501 памятник адово-паркового искусства, 654 заповедных урочища. Под охрану государства взято 220 тыс. га болотных массивов, преимущественно в Полесье. В ранге заповедных территорий охраняются свыше 200 тыс. га водно-болотных угодий, которые имеют международное значение.
Природно-промышленные системы
|
Экосистемы. Концепция экосистемы В основе экологии лежит концепция экосистемы. Экосистема - основная функциональная единица в экологии. Экосистемой не является любая часть жизни, взаимодействующая с окружающей средой. Экосистема - сообщество живых организмов и среда их обитания, которые функционируют совместно, Термин "экосистема" впервые был предложен английским экологом К. началу XX века биологи стали развивать идею о том, что в природе действуют одни и те же закономерности функционирования независимо от того, какая среда рассматривается: Новое направление, которое можно назвать экологией экосистем, возникло и развивалось в связи с разработкой общей теории систем и применением системного анализа. Что такое система? Понятие системы - одно из самых общих. Системой можно назвать совокупность элементов, определенным образом связанных и взаимодействующих между собой, т. е. любой объект, реальный или мыслимый, целостные свойства которого могут быть представлены как результат взаимодействия образующих его частей, можно считать системой.
Литосфера Литосфера - это "каменная оболочка" Земли, верхняя часть земной коры. Значение почвы в биосфере можно определить как связующее звено биологического и геологического круговоротов. Почва служит источником вещества для образования минералов, горных пород, полезных ископаемых и способствует переносу аккумулированной солнечной энергии в глубокие слои литосферы. Как среда жизни, почва занимает промежуточное положение между атмосферой и гидросферой: она обладает структурированностью, здесь возможно обитание организмов, дышащих как по водному, так и по воздушному типу, имеет место вертикальный градиент проникновения света, более резкий, чем в гидросфере. Все это определяет распространение жизни в почве: микроорганизмы встречаются по всей ее толщине, растения связаны лишь с наружными горизонтами беспозвоночные животные обитают главным образом в верхних горизонтах почвы. Норы и ходы грызунов, насекомых и червей проникают в почву на глубину обычно не более 5 - 7 м. Бактерии находят в подземных водах, сопровождающих залежи нефти на глубине 3 - 5 км.
Солнечная радиация Солнечная радиация относится к числу факторов, сыгравших ключевую историческую роль в эволюции биосферы. Солнечный свет представляет собой электромагнитное излучение с различными длинами волн Этот поток можно разделить на несколько областей, различающихся физическими свойствами и экологическим значением для различных групп организмов. Для эколога важной характеристикой солнечного излучения является его интенсивность. При прохождении через атмосферу часть солнечной радиации рассеивается молекулами газов атмосферы и водяными парами, часть отражается от облаков.. Радиационный баланс на верхней границе экосистемы составляют поглощенная солнечная радиация и инфракрасное излучение атмосферы. Животные и растения реагируют на различные области спектра. Так, у разных животных по-разному устроен зрительный аппарат, у них различное "цветовое" зрение. Среди млекопитающих цветовое зрение хорошо развито только у приматов, тогда как другие животные видят весь мир черно-белым, хотя и с большим числом оттенков. Процесс фотосинтеза у растений является предметом специального изучения. С изменением длины волны сильно меняется интенсивность фотосинтеза, т. е. существует оптимум, в диапазоне которого процесс идет наиболее эффективно. Таким образом, здесь вступает в силу компенсация факторов: отдельные растения и целые сообщества приспосабливаются к разным спектральным характеристикам и различной интенсивности светового потока. И у наземных, и у водных растений интенсивность фотосинтеза линейно зависит от интенсивности солнечной радиации.
Газовый состав среды обитания Для многих видов организмов, как бактерий, так и высших животных и растений, концентрация кислорода и двуокиси углеродаявляются лимитирующими факторами. При этом в наземных экосистемах состав внутренней воздушной среды - атмосферного воздуха - относительно постоянен. В водных экосистемах количество и состав газов, растворенных в воде, сильно варьирует. В водных объектах - озерах и водохранилищах, богатых органическим веществом - кислород становится фактором, лимитирующим процессы окисления, и тем самым приобретает первостепенную важность. В воде содержится значительно меньше кислорода, чем в атмосферном воздухе, а вариации связаны со значительными колебаниями температуры и растворенных солей. Растворимость кислорода в воде повышается с понижением температуры и снижается с повышением солености. Общее количество кислорода в воде обеспечивается поступлением из двух источников: из атмосферного воздуха и из растений В целом для всех живых существ кислород и углекислый газ, несомненно, являются лимитирующими факторами существования. Диапазоны величин этих факторов, сложившиеся в ходе эволюции, довольно узки. Концентрации кислорода, необходимые для дыхания, достаточно постоянны и закрепились в ходе эволюции. Гомеостаз обеспечивается постоянством параметров внутренней среды организмов; содержание кислорода и углекислого газа в различных тканях и органах поддерживается на относительно постоянном уровне. Карбонатная система жидкостей организма служит хорошим буфером, обеспечивающим гомеостаз.
Виды антропогенных влияний на живые организмы Человек издавна оказывал влияние на природу, воздействуя как на отдельные виды растений и животных, так и на сообщества в целом. Но лишь в текущем столетии рост населения, а главным образом качественный скачок в развитии науки и техники привели к тому, что антропогенные воздействия по своему значению для биосферы вышли на один уровень с естественными экологическими факторами планетарного масштаба. В наши дни воздействие человека на природные системы становится направляющей силой дальнейшей эволюции экосистем.Эксплуатация природных ресурсов может иметь разные экологические последствия. Принято делить ресурсы на неисчерпаемые и исчерпаемые. К первым относятся ресурсы космического масштаба, такие, как солнечная радиация, энергия морских приливов источник которых не подвержен влиянию со стороны человека..К неисчерпаемым относятся и водные ресурсы планеты. Практически неисчерпаемые ресурсы вод Мирового океана подвергаются крупномасштабному изменению в результате загрязнения нефтью и другими веществами, что вносит подчас существенные изменения в состав и структуру водных экосистем.Исчерпаемые ресурсы включают запасы каменного угля, торфа, нефти и других полезных ископаемых, темпы использования которых несравненно выше, чем скорость естественного накопления, если таковое имеет место в современной биосфере. Гораздо большее значение имеет влияние человека на возобновимые ресурсы К этой группе относятся все формы живого и биокосного вещества: почвы, растительность, животный мир, микроорганизмы и т. д. Для того чтобы эксплуатация биологических ресурсов была разумной и способствовала действительному прогрессу социальной, культурной и научно-технической жизни человечества, нужно четко представлять себе механизмы влияния различных сторон деятельности человека на природные системы, знать закономерности реакции биологических объектов на антропогенные воздействия и на этой основе переходить к управлению экосистемами с целью поддержания их устойчивости и продуктивности. Организация на популяционном уровне. Свойства популяционной Популяция - это группа особей одного вида, обладающая всеми необходимыми условиями для поддержания своей численности необозримо длительное время в постоянно изменяющихся условиях среды. Популяция занимает определенное пространство и обладает признаками, характеризующими группу как целое, а не отдельных особей в группе. К таким признакам относятся: плотность, рождаемость, смертность, распределение организмов по возрастам, биотический потенциал, характер распределения в пределах территории, тип роста. Кроме того, популяции имеют ряд генетических признаков, связанных с их экологией, - способность к адаптации, репродуктивная приспособленность и устойчивость. Популяция обладает биологическими особенностями, свойственными всем составляющим ее организмам, и групповыми особенностями, которые служат уникальными характеристиками группы. К биологическим особенностям относится наличие жизненного цикла популяции, ее способность к росту, дифференцировке и самоподдержанию Плотность и численность популяции. Влияние популяции на сообщество и экосистему зависит не только от того, из каких организмов она состоит, но и от их численности (N), которая означает общее количество организмов, населяющих ту или иную территорию. Динамика популяций. Популяция изменчива во времени, и при ее изучении определенный интерес представляют не только ее состав и величина в каждый определенный момент, но также и то, как она изменяется. Зная скорость изменения популяции, можно судить о многих ее особенностях, условиях развития и, косвенно, о состоянии экосистемы в целом. Рождаемость - способность популяции к увеличению численности за счет размножения. Этот термин используется и для популяции человека. Он характеризует частоту появления новых особей вида. Различают максимальную и экологическую рождаемость.
Основные формы межвидовых связей в экосистемах Межвидовые отношения в конкретных биоценозах реализуются через сложные формы взаимодействия популяций разных видов. В основе их, как уже отмечено, лежат трофические связи, обеспечивающие осуществление биологического круговорота как генеральной функции экосистем. Но длительное сосуществование многих видов привело к тому, что на базе прямых трофических отношений сформировался комплекс связей иного рода, и в составе сложившихся экосистем эти вторичные связи имеют не менее важное биологическое Качение и повышают степень "жесткости", обязательности определенной видовой структуры биоценозов. В общей форме говорят о межвидовых отношениях типа антибиоза, Нейтрализма и симбиоза. Антибиоз - крайнее выражение конкурентных отношений, при котором какой-либо вид полностью препятствует возможности поселения особей других видов в пределах определенной зоны влияния.. Нейтрализм - тип отношений между видами, при котором они не формируют сколько-нибудь значимых форм прямых взаимодействий. Как бы переходной формой от нейтрализма к мутуализму является комменсализм - взаимосвязи, выгодные для одного из взаимодействующих видов и нейтральные для другого. Перечисленные принципиальные формы биоценотических связей реализуются в виде взаимодействия конкретных видов в структуре отдельных биоценозов. Как уже подчеркивалось, все сложные и динамичные формы биоценотических связей складывались на протяжении длительной истории экосистем и в процессе эволюции сопровождались формированием комплекса взаимных адаптации, оптимизирующих устойчивые взаимодействия популяций разных видов.
Динамика биосферы Биогеохимические циклы. В рамках концепции биосферы деятельность живых организмов, населяющих разные среды, интегрируется на уровне биосферы как целостной функциональной системы. Основной ее функцией является поддержание жизни благодаря непрерывному потоку вещества и энергии. Тесная связь биотической и абиотической составляющей экосистемы является главным принципом ее организации и выделения как целостного образования. Осадочный цикл, в котором принимают участие такие химические элементы, как фосфор и железо, в меньшей степени способен к саморегуляции и поэтому легче нарушается. Это связано с тем, что основная часть химических веществ сосредоточена в относительно малоподвижном и малоактивном резервном фонде земной коры. Если изъятие химических элементов в этих циклах происходит быстрее чем возврат, какая-то их часть может на длительное время выбывать из круговорота. Механизмы возвращения химических элементов в круговорот основаны главным образом на биологических процессах.
Говоря о круговороте вещества в экосистеме, обычно имеют в виду не столько само вещество, сколько химические элементы: углерод, кислород, азот и фосфор. Их относят к так называемым биогенным элементам, т. е. элементам, порождающим жизнь. Рассмотрим каждый из них более подробно. Азот и фосфор часто являются лимитирующими элементами и могут контролировать численность организмов, а сера - это химический элемент, который может служить примером связи между воздухом, водой и земной корой, то есть ее круговороту присущи особенности круговоротов азота и фосфора.
Количественная оценка биохимических цикло При определении функции и структуры экосистемы наряду с другими факторами важное значение имеет оценка скорости обмена или переноса веществ. В последнее время в связи с развитием научно-технического прогресса, а также с созданием и разработкой современных методов исследований в экологии, в том числе радиоактивное индикации, масс-спектрометрии, автоматического слежения и дистанционных измерений, появилась возможность измерять скорость циркуляции в довольно обширных экосистемах и получать количественную оценку биохимических круговоротов в глобальном масштабе.Как правило, потери элементов питания с ненарушенных облесенныx водосборных бассейнов вдоль ручьев невелики и компенсируются в основном поступлением элементов с осадками и продуктами выветривания. С увеличением степени освоения водосборных бассейнов в водах ручьев и рек резко возрастает содержание азота и фосфора воде, стекающей с полностью освоенной территории, содержание азота и фосфора в семь раз выше, чем в ручьях, протекающих по территории, занятой лесом. Следует, однако, учитывать, что увеличение со держания элементов в поверхностном стоке с освоенных территорий может быть связано и с большим их поступлением с удобрениями При соответствующих мероприятиях можно более эффективно возвращать в круговорот химические элементы и уменьшить расточительный "однонаправленный" поток. Однако производители не заинтересованы в проведении таких мероприятий, так как это приводит к увеличению себестоимости производимой продукции и снижению ее конкурентоспособности. Заинтересованность же появится тогда, когда запасы химических элементов истощатся и, следовательно, последние подорожают или когда произойдет заметное снижение качества жизни. В окружающую среду поступает значительное количество элементов, которые связаны с деятельностью человека и представляют опасность для его здоровья. Поэтому при проведении экологических исследований необходимо учитывать круговороты практически всех элементов и соединений. Экологические основы интродукции Интродукция (лат. introductio - введение) - переселение видов растений и животных в места, где они раньше не жили. Например, виды пшеницы, ячменя, гороха, завезенные в Европу из Закавказья, картофель - из Южной Америки, подсолнечник - из Северной Америки, кукуруза - из Центральной и Южной Америки. Интродукторы, которые серьезно занималось внедрением вида в новые места произрастания, старались ввести вид в биотоп, который бы напоминал тот, в котором проходила его эволюция. Процесс интродукции не прекращается. Например, если во Львове в 50-х годах минувшее столетие было интродуцировано около 40 видов деревьев и кустарников, то в 70-х годах нашего столетия - свыше 700. Человек, хочет она этого или нет, изменяет географическое распространение растений, животных и микробов. На отдельных островах и континентах состоялась почти полная замена эндемических (коренных) видов интродуцентами. На Гавайских островах, например, большинство певчих птиц - интродуцированные. Экологическая политика должна быть направлена на повышение эффективности экосистем прежде всего за счет распространения популяций видов, которые в течение эволюции обнаружили долговечность и устойчивость к неблагоприятным факторам среды. Среди кустарников, которые используют в озеленении крупных городов, выделены три экологические группы: наиболее устойчивые к урбогенным условиям (тополь, вяз гладкий, ясень зеленый, робиния псевдоакация и т.п.); средней устойчивости (пихта колючая, можжевельник, лиственница европейская, береза повислая, кизильники и т.п.); чувствительные к загрязнениям (пихта обычная, лиственница сибирская, все виды пихты, сосны, бук европейский, можжевельник и др.).
|