рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

ОСНОВЫ ЭКОЛОГИИ

ОСНОВЫ ЭКОЛОГИИ - раздел Экология,   В.в. Маврищев   Осн...

 

В.В. МАВРИЩЕВ

 

ОСНОВЫ ЭКОЛОГИИ

 

Учебник для студентов небиологических специальностей

высших учебных заведений

 

 

 

 

Минск – 2003

  ПРЕДИСЛОВИЕ……………………………………………………………… 5  

ПРЕДИСЛОВИЕ

 

В середине XIX века великий русский педагог К. Ушинский писал: «Зовите меня варваром в педагогике, но я вынес из впечатлений моей жизни глубокое убеждение, что прекрасный ландшафт имеет такое огромное воспитательное влияние на развитие молодой души, с которым трудно соперничать влиянию педагога, что день, проведенный ребенком посреди рощи и полей, когда его головой овладевает какой-то упоительный туман, в теплой влаге которого раскрывается все его молодое сердце для того, чтобы беззаботно и бессознательно впитывать в себя мысли и зародыши мыслей, потоком льющиеся из природы, что такой день стоит многих недель, проведенных на учебной скамье».

Сегодня экологические проблемы превалируют над всеми другими проблемами современности, а экологическое образование является мировой проблемой. Сейчас просто "экологического мышления" недостаточно. Насущная задача - сформировать экологическое мировоззрение. Для этого необходим экологический всеобуч - образование на экологической основе, экологизация знания.

Экологическая грамотность - вот что нужно современному человеку. Раньше косарь мог обойти гнездо, а сейчас с комбайна не увидишь, что там внизу. Старожилы-крестьяне рассказывали, что на две-три недели во всех селах, стоявших на нерестовых реках, прекращали звонить в колокола, а весла на лодках обвязывали паклей или тряпками, чтобы не было лишнего шума, беспокоящего рыбу. На этот случай существовала ныне забытая пословица: «Рыба святое дело делает - оставь реку в покое».

На чем же был основан экологический подход к охране среды своего обитания у наших предков? Где те экологические императивы, на которые опиралось человечество прошлых веков? Следует признать, что глубочайший экологический смысл был заложен прежде всего в вековом опыте народной жизни. Пусть неосознанно и стихийно, но в природе поддерживалось некое экологическое равновесие между лугами, полями, лесами и водами. Даже и в наши дни можно местами встретить размежевание между угодьями. Пруд, да не один, был во многих усадьбах Беларуси, а в нем непременно рыба, был сенокос - на лугах, а пашня -выше на полях, и все это окаймляли густые чащи леса. Никому в голову не приходило распахать заливной луг, где снимали два урожая сена, или, скажем, спустить пруд, а еще неразумнее - затопить пашню и луг или вовсе отдать землю под пашню иль море заливанное. Ведь неспроста все это было, и совсем еще недавно! А теперь мы неразумно и бездумно травим эти поля, землю, их несущую, хлеб наш и все кругом, а в конце концов — самих себя, ядохимикатами!

Налицо противоречие между программой природы как системного целого и программой человека как ее части. Парадокс заключается в том, что устойчивость биосферы основана на круговороте веществ в природе, а существование человеческого общества подчинено закону необратимого поступательного движения – прогрессу. Таким образом, формирование научного экологического знания ныне отстает от практики социального бытия.

Значение природы неоценимо в жизни каждого человека. Воздух, вода, малахитовый ковер лугов, щебетанье птиц, белка на дереве, бодрящий аромат тенистых лесов - все это природа. "Кладовой солнца" назвал ее Михаил Пришвин. Но черпать из этой кладовой нужно с большой осторожностью. Природа похожа на уязвимую паутину. Коснитесь одной паутинки - и дрогнут все остальные.

Конечно, беречь и охранять природу можно по-разному. Прежде всего так, как это делалось в нашей стране в недалеком будущем - постановлениями, указами, декретами. Стало ли от этого лучше? - Конечно, нет. Потому что в этом трудном, тяжелом, но благородном деле нужно начинать прежде всего с себя, с обращения к нравственному началу каждого человека. И чем раньше, тем лучше. Недаром академик Д.С.Лихачев ввел в обиход понятие "экология нравственности". Оставаясь наедине с природой, человек безнравственный может натворить немало бед. Расплачиваться потом придется другим.

Если человек сам непосредственно каким-то добрым делом соприкоснется с природой, например, вырастит дерево или цветок, то прежде чем сломать ветку или сорвать растение, он непременно задумается, а нужно ли это делать? Постоянное и доброе общение с природой необходимо каждому. Тогда человеку откроются три важнейшие заповеди - он должен хорошо знать природу и ее законы, беречь и охранять ее, и, конечно же, приумножать ее богатство.

А начинать-то надо с себя. Нельзя быть равнодушным. Нельзя проходить спокойно мимо торговцев родной природой, нельзя мерять деньгами бесценную красоту наших лесов. Никогда не требовалось от каждого из нас такой осторожной нежной походки в лесу как сейчас, когда природа в опасности. Нужно всегда помнить, что природа - незаменимый и вечно живой источник бесконечных открытий, родник здоровья и духовного богатства человечества во все времена. И поэтому можно понять слова Владимира Солоухина о том, что наш век, должен быть не только веком пластмассы и алюминия, но, прежде всего, веком зеленых трав, ярких цветов, чистых рек и лесов, выхоленных рукой разумного человека.

 

 

ГЛАВА 1. ПРЕДМЕТ И ОБЪЕКТЫ ЭКОЛОГИИ, ЕЕ СОДЕРЖАНИЕ

И КРАТКИЙ ОБЗОР РАЗВИТИЯ

 

1.1. Что такое экология? Предмет экологии.

Экология как научная дисциплина

 

Человек живет природой. Это значит, что природа есть его тело,
с которым человек должен оставаться в процессе постоянного
общения, чтобы не умереть. Что физическая и духовная жизнь
человека неразрывно связана с природой, означает не что иное,
как то, что природа неразрывно связана сама с собой,
ибо человек есть часть природы.

Карл Маркс

Сегодня каждый знаком со словом «экология». В последнее время оно употребляется по любому случаю и столь часто, что сам смысл его затерялся где-то в… Важность экологии как науки для человека заключается в том, что она изучает… К сожалению, как часто бывает, употребление к месту и не к месту некоторых, ставших модными слов приводит к тому, что…

Бытие. 1:28

Развитие человечества происходило с одной стороны в борьбе с природными силами, а с другой – в инстинктивном стремлении к охране своего природного… Эволюция Земли до и после появления человека – это два совершенно разных… Американский натуралист Арнольд Ньюмен предложил следующую теоретическую модель развития нашей планеты. "История…

Лосев А.Ф.

Возникновение жизни на Земле связано с биологическим круговоротом веществ в пределах границ, определяемых областью распространения жизни, т.е.… Живые организмы, населяющие Землю, не разбросаны хаотично по ее поверхности, а… В настоящее время имеется множество схем, отражающих иерархическую соподчиненность уровней живого. Еще сравнительно…

Л.Н.Толстой

В настоящее время экологические проблемы современности по своим масштабам условно могут быть разделены на локальные, региональные и глобальные, а… Завод, сбрасывающий без очистки в реку свои промышленные стоки, вредные для… Примером региональных экологических проблем может служить проблема Полесья - болотистого края с недавно проведенной…

В.И.Талиев

2.1. Понятие о среде обитания. Абиотическая и биотическая среда  

Л. Мартынов

В соответствии с современными гипотезами происхождения жизни принято считать, что эволюционно первичной средой на нашей планете была именно водная… Вода входит в состав всех элементов биосферы. Это составная часть не только… Эта жидкая оболочка, покрывающая планету, наиболее отличает Землю от соседних с ней планет. Земля уникальна не только…

Джонатан Свифт

Организм может также служить средой обитания - для паразитов и симбионтов (симбиоз – совместное, взаимовыгодное сожительство организмов). Например,… Использование одних организмов другими в качестве среды обитания – явление… Паразитизм - это форма взаимоотношений между организмами разных видов, которые носят антагонистический характер.…

Рольф Эдберг

Куговорот воды, а также круговорот биогенных элементов, обусловленный синтезом и распадом органических веществ в биосфере называют круговоротом… Непрерывному круговороту в биосфере Земли подвергаются только вещества. Когда… Обновление живого вещества биосферы происходит за 8 лет. Фитомасса суши (биомасса наземных растений) обновляется за 14…

ГЛАВА 3. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

 

Присутствие непостижимой силы

Таинственно скрывается во всем;

Есть мысль и жизнь в безмолвии ночном,

И в блеске дня, и в тишине могилы,

В движении бесчисленных миров,

В торжественном покое океана,

И в сумраке задумчивых лесов,

И в ужасе степного урагана,

В дыхании прохладном ветерка,

И в шелесте листов перед зарею,

И в красоте пустынного цветка,

И в ручейке, текущем под горою.

Иван Никитин

3.1. Понятие об экологических факторах   Комплекс окружающих условий, влияющих на жизнедеятельность организмов, складывается из разнообразных элементов -…

Климатические факторы

 

Свет

 

Наиболее значимым фактором внешней среды является свет. Почему мы ставим его на первое место? Прежде всего потому, что без света невозможна фотосинтетическая деятельность растений, а без последней невозможна жизнь вообще, поскольку зеленые растения имеют способность продуцировать необходимый для жизни живых существ кислород. Кроме того, свет является единственным источником тепла на планете Земля.

Однако есть и другие аспекты воздействия света на живые организмы. Необходимость света для растений существенно влияет на структуру сообществ. Распространение водных растений, океанических животных и планктона ограничено областью проникновения солнечных лучей.

В экологии под термином «свет» подразумевается весь диапазон солнечного излучения, достигающего земной поверхности. Солнце излучает в космическое пространство громадное количество электромагнитных волн разной длины и частоты. Спектр распределения энергии излучения Солнца за пределами земной атмосферы показывает, что около половины солнечной энергии излучается в инфракрасной области, 40 % - в видимой и 10 % - в ультрафиолетовой и рентгеновской областях. Земная атмосфера, включая озоновый слой, селективно, то есть избирательно по частотным диапазонам, поглощает энергию электромагнитного излучения Солнца и до поверхности Земли доходит в основном излучение с длиной волны от 0,3 до 3 мкм.

Для живого вещества важны качественные признаки света - длина волны, интенсивность и продолжительность воздействия. Излучение, воспринимаемое нашим глазом, - это лишь часть спектра электромагнитных колебаний. Эта область охватывает диапазон волн длиной 0,39-0,76 мкм*. Электромагнитные волны ______________________________

* 1 мкм (микрометр) равен 0,001 мм.

большей длины лежат в инфракрасной области спектра (0,76-4,0 мкм). Они воспринимаются человеком как тепло. Более короткие - ультрафиолетовые волны (<0,4 мкм) наши органы чувств непосредственно не воспринимают. Другие живые существа, в частности насекомые, наоборот, воспринимают инфракрасные и ультрафиолетовые излучения, недоступные человеку (рис. ).

Рис. Спектр электромагнитного излучения Солнца.

 

Известно, что животные и растения реагируют на изменение длины волны света. Цветовое зрение развито в разных группах животных по разному: оно хорошо развито у некоторых видов членистоногих, рыб, птиц и млекопитающих, но у других видов тех же групп оно может отсутствовать. На рисунке N показано восприятие цветочного луга человеком (слева) и пчелой.

Часть солнечных лучей, преодолев огромное расстояние, достигает поверхности Земли, освещает и обогревает ее. Подсчитано, что на нашу планеты поступает около одной двухмиллиардной части солнечной энергии, а из этого количества лишь 0,1-0,2% используется зелеными растениями на создание органического вещества.

Солнечная энергия, которую зеленые растения поглощают и используют, называется фотосинтетически активной радиацией (ФАР). В этом спектральном диапазоне (0,38-0,71 мкм) в живых организмах совершаются важнейшие фотобиологические процессы. Показатели ФАР очень изменчивы. Интенсивность фотосинтеза варьируется с изменением длины волны света. Например, при прохождении света через воду красная и синяя части спектра отфильтровываются и получающийся зеленоватый свет слабо поглощается хлорофиллом. Однако красные водоросли имеют дополнительные пигменты (фикоэритрины), позволяющие им использовать эту энергию и жить на большей глубине, чем зеленые водоросли.

Оказывается, для растений наиболее продуктивными являются не прямые солнечные лучи, которые падают перпендикулярно на зеленую поверхность листьев, а рассеянные. Прямая радиация Солнца в зависимости от высоты светила над горизонтом содержит 28-43% ФАР. Рассеянная радиация при солнечном свете – 50-60, рассеянная радиация при ясном небе – до 90% ФАР.

Световой фактор играет для растений весьма важную роль: от интенсивности солнечного освещения зависит продуктивность, производительность растений. Однако световой режим на Земле довольно разнообразен. В лесу он иной, чем на лугу. Освещение в лиственном и темнохвойном еловом лесу заметно различается. Таких примеров можно привести множество. Конечно, растения стремятся как можно полнее использовать ту солнечную радиацию, которая достигает земли. Присмотритесь к комнатным растениям на ваших подоконниках. Они так и тянутся к солнечному свету, а если его недостаточно, то вытягиваются, истончаются, листья их мельчают.

Каким же образом растения приспосабливаются к условиям различной освещенности в природе? Помог им в этом естественный отбор, благодаря которому возникли различные приспособления, позволяющие им жить в разнообразных условиях освещенности. По отношению к освещенности в естественных местообитаниях растения можно разбить на несколько групп. В связи с этим хочется остановиться на кочующем из книги в книгу, где речь идет об экологии растений, заблуждении. Во многих учебниках, справочниках по экологии дается такая градация растений по отношению к свету: светолюбивые, тенелюбивые и теневыносливые. То есть одни растения любят светлые места произрастания, другие же, наоборот, обожают тень.

Следует заметить, что места, куда свет проникает в очень малых количествах, - это неблагоприятные условия существования для любых организмов. Не составляют исключений и растения. Тень - это неблагоприятный фактор для их развития. И поэтому в принципе каждое растение старается "ухватить" как можно больше солнечного света для успешного обеспечения фотосинтетического процесса. Однако не всегда желания совпадают с возможностями, и по отношению к фактору освещенности в мире растений происходит жесткая конкуренция. Виды, уже приспособившиеся жить в комфортных условиях, не допускают других, которые в конурентном отношении менее сильны. Такие виды и оттесняются в

 

места с неблагоприятным световым режимом, в тень. Происходит раздел сфер влияния. Но и здесь, где, казалось бы, не каждое растение хочет расти, тоже свои раздоры. Ведь существуют места, скажем, в лесу, с различной освещенностью. В итоге одни растения остаются в слабой тени, другие же вынуждены отступить в еще большую тень. Эволюционным путем такие группы растений приспосабливаются жить в сильной тени, скажем, под пологом густого елового леса, где конкурентов у них уже нет. Это не значит, что они не любят свет (якобы тенелюбивые). Они просто вынуждены терпеть эволюционно сложившиеся фитоценотические отношения. Согласитесь - любить и терпеть - это разные вещи. Другое дело, что в процессе длительной эволюции фотосинтетический аппарат у них приспособился к проявлению предельной интенсивности фотосинтеза в условиях малой освещенности. Но это как раз и есть то приспособление, благодаря которому им удалось уцелеть в условиях жесткой конкуренции. Развитие главенствующей древесной растительности эволюционно закрепило их статус. Так они и стали изгоями растительного мира.

Таким образом, все растения по отношению к свету можно разделить на следующие группы:

■ растения теневые - сциофиты (от греч. сциа - тень, и фитон - растение);

■ растения теневыносливые;

■ растения светолюбивые - гелиофиты (от греч. гелиос - солнце и фитон - растение).

Места обитания сциофитов - нижние затемненные ярусы; обитатели глубоких слоев водоемов. Прежде всего, это растения, растущие под пологом леса (кислица, костяника, сныть).

Сциофиты характеризуются следующими признаками:

□ листья крупные, нежные;

□ листья темно-зеленого цвета;

□ листья подвижные;

□ характерна так называемая листовая мозаика (то есть особое расположение листьев, при котором листья макимально не заслоняют друг друга).

Для сциофитов зоной оптимума служат затененные места, при сильной освещенности они чувствуют себя плохо. Растения этой группы адаптировались к условиям сильного затенения темнохвойных таежных, широколиственных и тропических влажных лесов. Обычно адаптация к условиям недостаточной освещенности сочетается у них с высокой потребностью в водоснабжении. В условиях сильной освещенности сциофиты не могут эффективно регулировать транспирацию и обычно высыхают. Типичные представители темных местообитаний - это зеленые мхи, плауны, кислица обыкновенная (Oxalis acetosella), копытень европейский (Asarum europaeum), седмичник европейский (Trientalis europaeus), барвинок малый (Vinca minor), майник двулистный (Majanthemum bifolium) и др.

Теневыносливые растения способны развиваться как при очень большом, так и при малом количестве света. В качестве примера таких растений можно указать некоторые деревья: ель обыкновенную (Picea abies), клен остролистный (Acer platanoides), граб обыкновенный (Carpinus betulus); кустарники - лещину (Corylus avellana), боярышник (Crataegus monogyna); травы - землянику (Fragaria vesca), герань полевую (Geranium pratense); многие комнатные растения.

Гелиофиты характеризуются следующими признаками:

□ мелкие размеры листьев; встречается сезонный диморфизм: весной лестья мелкие, летом - крупнее;

□ листья располагаются под большим углом, иногда почти вертикально;

□ листовая пластинка блестящая или густо опушенная;

□ образуют разряженные насаждения.

Гелиофиты либо совсем не переносят, либо плохо переносят даже незначительное затенение. К этой группе относятся степные и луговые злаки, растения тундр, ранневесенние растения, большинство культурных растений открытого грунта, многие сорняки. Из видов этой группы можно отметить подорожник обыкновенный (Plantago major), иван-чай (Chamaerion angustifolium), вейник тростниковидный (Calamagrostis arundinacea) и др.

 

Температура

Конечно, известны и исключения, когда живые организмы переносили как высокие (некоторые цианобактерии могут существовать при 80-88оС), так и низкие… Критические температуры для растений и животных могут варьировать чрезвычайно… Основным источником тепла, как и света, является солнечное излучение. Организм может выживать только в условиях, к…

Влажность

Вода медленно нагревается и медленно остывает. Нужны большие затраты энергии для превращения льда в жидкость и жидкой воды в пар. Эти свойства… Максимальная плотность воды приходится на температуру +4 °С. У других… Вода – инертный и универсальный растворитель. Газы достаточно хорошо растворяются в ней, если способны вступать в…

Орографические факторы

На распространение организмов по земной поверхности определенную роль оказывают такие орографические факторы, как особенности элементов рельефа,… Макрорельеф (горы, долины, низменности) влияет на распределение растительности… Характерный пример – вертикальная зональность в горах. Подъем в гору часто напоминает путешествие от экватора к…

И.П. Павлов

Живые организмы не только приспосабливаются к физическим (абиотическим) факторам среды в том смысле, что переносят различные их неблагоприятные… Многие формы поведения организмов повторяются с регулярными интервалами.… Главный признак ритмических процессов - их повторяе­мость. Под ритмами понимают периодически повторяющиеся явления…

Фотопериодизм – реакция организмов на суточный ритм освещения, соотношение длительности дня и ночи, выражающаяся в изменении процессов роста и развития.

Явление фотопериодизма было открыто в 1920 году американскими учеными К.Э.Гертнером и Г.А.Аллардом на растениях табака. Они показали что эти растения зацветают только лишь после выдерживания их на коротком фотопериоде в течение нескольких дней. В естественных условиях это происходит осенью, но короткий день (продолжительностью 7 часов) можно создать и искусственно, например, в теплицах.

У растений такие явления, как цветение, образование плодов или семян, листопад и прорастание семян тесным образом связаны с сезонными изменениями длины дня и температуры. Когда был исследован ряд растений, оказалось, что некоторым растениям нужен длинный день (растения длинного дня, зацветание и плодоношение которых наступает при 8-12-часовом освещении), другим короткий (для цветения нужна продолжительность дня 12 часов и более), а некоторые зацветают независимо от длины дня (растения нейтральные в отношении фотопериода).

Позже в изучении фотопериодизма выявились некоторые трудности. Например, некоторые растения при одной температуре вели себя как нейтральные по отношению к длине дня, а при другой - зависели от нее. Для одних было необходимо, чтобы одна длина дня сменялась другой, а у иных определенная длина дня ускоряла наступление цветения, но не являлась обязательным условием.

Подобные недоразумения выяснились, когда было установлено, что на самом деле значение имеет продолжительность не светлого, а темного периода суток. Поэтому фактически растения короткого дня оказались растениями длинной ночи. Если их выращивать в условиях короткого дня и длинной ночи, но ночь прерывать коротким периодом освещения, они не зацветут.

В качестве примеров растений короткого дня можно привести хризантему, сою, табак, землянику, гречиху, астры, подсолнечник. Растения длинного дня - белена, львиный зев, капуста, рожь, пшеница, многие луговые злаки, клевер, тысячелистник, цикорий, незабудка. Растения, нейтральные в отношении фотопериода, - огурцы, томаты, садовый горошек, кукуруза, хлопчатник.

Фотопериод рассматривается как некое "реле времени", или пусковой механизм, включающий последовательность физиологических процессов, приводящих к линьке и накоплению жира, миграции и размножению у птиц и млекопитающих и наступления диапаузы (стадии покоя) у насекомых.

Фотопериодизм связан с широко известным явлением биологических часов и служит универсальным механизмом регулирования функций во времени.

Перелетные птицы в течение нескольких месяцев после осеннего перелета нечувствительны к фотопериоду. Видимо, короткие осенние дни необходимы для того, чтобы "перевести" биологические часы и подготовить эндокринную систему к реакции на длинные дни. Если после конца декабря искусственно увеличивать длину дня, то у птиц это вызовет череду явлений, обычно происходящих весной, - линьку, накопление жира, миграционное беспокойство.

Длина дня воспринимается чувствительными рецепторами, такими, как глаза у животных или специальный пигмент в листьях растений, а эти рецепторы в свою очередь активируют один или несколько цепных механизмов, включающих гормоны и ферменты, которые вызывают соответствующий физиологический или поведенческий ответ. Точно не известно, какой компонент этой последовательности измеряет время. Хотя высшие растения и животные резко различаются морфологически, связь с фотопериодичностью среды у них сходна.

 

3.7. Жизненные формы ОРГАНИЗМОВ

 

Комплекс экологических факторов, составляющий специфику любого местообитания, требует от населяющих это место организмов и комплекска специфических приспособлений. Поэтому в процессе исторического развития животные и растения приобрели специфические черты, затрагивающие особенности строения, обмена веществ, динамику жизненных процессов и т.п. Все эти особенности определяют внешний облик организмов. В природе можно часто видеть, как разные виды приспосабливаются к сходным условиям среды. Такие типы приспособления выражаются в определенном морфологическом строении организмов и называются жизненными формами.

Жизненная форма – внешний облик живых организмов, отражающий их приспособленость к определенным условиям среды.Разнообразные жизненные формы отражают отношение различных видов к среде обитания.

Жизненные формы выделяются как среди животных, так и среди растений. У животных они поразительно разнообразны, поскольку, во-первых, животные в отличие от растений более динамически лабильны (растениям присущ главным образом оседлый способ существования) и, во-вторых, форма их существования непосредственно зависит от поиска, качества и способа добывания ими пищи. Животные обычно все время подвижны и активны в добывании пищи (исключение составляют отдельные животные водной среды, ведущие сидячий образ жизни). В основу классификации жизненных форм животных могут быть положены разные критерии (способы передвижения, добывания пищи и ее характер, степень активности, приуроченность к определенному ландшафту и т.д.).

Один из крупнейших современных экологов Д.Н.Кашкаров так определяет жизненную форму животных: "Тип животного, находящийся в полной гармонии с окружающими условиями, мы называем жизненной формой. В жизненной форме, как в зеркале, отражаются главнейшие, доминирующие черты места обитания".

Итак, на формирование жизненных форм животных основное влияние оказывает их образ жизни. В связи с этим предложено довольно большое количество систем жизненных форм животных. Их выделяют по способам передвижения (например, жизненная форма прыгунов представлена тушканчиками и кенгуру); по способам и месту размножения (живородящие, яйцекладущие, размножающиеся под землей, на поверхности земли и т.п.); иные жизненные формы систематизируются по способам питания (растительноядные, хищники, всеядные и т.д.).

Разнообразие классификаций жизненных форм животных объясняется множеством критериев и принципов, которые положены в основу классификации. У зоологов (а теперь и у экологов) наибольшее распространение получила система жизненных форм Д.Н.Кашкарова. Всех животных он разделил на следующие группы:

I. Плавающие формы:

1. Чисто водные

2. Полуводные

II. Роющие формы:

1. Абсолютные землерои

2. Относительные землерои

III. Наземные формы:

1. Не делающие нор

2. Делающие норы

3. Животные скал

IV. Древесные лазающие формы

V. Воздушные формы.

Значительно более унифицирована система жизненных форм растений. Кстати, сам термин "жизненная форма" и его определение были введены в экологию именно при исследовании растительности. Это сделал датский ботаник Йоханнес Варминг в 1884 году. Он определял жизненную форму как форму, в которой вегетативное тело растения находится в гармонии с внешней средой в течение всей жизни.

В основу выделения жизненных форм растений кладут пластичные признаки, такие как форма роста, ритм сезонного развития, степень защищенности от неблагоприятных условий наиболее уязвимых частей тела растения. Основными жизненными формами растений можно считать травянистые и древесные формы. Деревья, кустарники и травы в качестве отдельных форм растений выделял еще Теофраст. Начало изучению жизненных форм положил немецкий естествоиспытатель Александр Гумбольдт. Он предложил выделять те жизненные формы, которые характеризуют физиономичность ландшафта: деревья, кустарники, травы, лианы и т.д. Так, в качестве особых, он выделял формы кактусов, составляющих облик пейзажа в Мексике, хвойных, определяющих вид тайги, бананов, пальм, злаков.

Затем жизненные формы начали классифицировать по экологическим признакам. Наиболее широко распространена система жизненных форм, разработанная еще одним датским экологом и геоботаником Кристианом Раункиером в 1905 г. Классификация Раункиера, разработана в основном применительно к растениям умеренного пояса с неблагоприятным зимним сезоном. Этой классификацией широко пользуются и в регионах с неблагоприятным сухим сезоном.

По утверждению Раункиера реакцию растений на климат лучше всего характеризует высота, на которой оно располагает органы возобновления (почки, клубни, луковицы, корневища). Выбор высоты, на которой располагаются почки возобновления, позволяет растению лучше перенести неблагоприятное время года. Чем сложнее климатические условия (засушливый период, длительная холодная зима), тем ниже располагаются листья растений.

Таким образом, классификация жизненных форм Раункиера основана на положении почек возобновления (или верхушек побегов) по отношению к поверхности почвы в неблагоприятных условиях (зимой или в засушливый период). Все растения были подразделены Раункиером на 5 главных типов.

1. Фанерофиты (от греч. phaneros - видимый, открытый, явный) - почки возобновления находятся высоко над поверхностью почвы. Это деревья, кустарники, деревянистые лианы.

2. Хамефиты (от греч. chamai - на земле) - почки возобновления находятся невысоко (20-25 см) над поверхностью почвы и, как правило, зимой защищены снежным покровом. Сюда относятся карликовые кустарники, кустарнички, полукустарнички, некоторые многолетние травы (например, черника, седмичник), мхи.

3. Гемикриптофиты (от греч. hemi - полу- и cryptos - скрытый) - почки возобновления в неблагоприятный для вегетации растений период года находятся на уровне почвы. Они защищены чешуями, опавшими листьями и снежным покровом. Стебли многих растений умеренной зоны могут отмирать на зиму, а летом снова отрастают. Часто почки возобновления таких растений окружает розетка зимующих листьев (подорожник). К этой группе относятся в основном многолетние травянистые растения средних широт: лютики, одуванчик, крапива двудомная.

4. Криптофиты (от греч. kryptos - скрытый) - почки возобновления закладываются в виде луковиц, клубней, корневищ, с помощью которых растения переживают неблагоприятный период. Эти органы могут находиться на некоторой глубине в почве (геофиты) либо под водой (гидрофиты).

5. Терофиты (от греч. theros - лето) - главным образом однолетники, переживающие неблагоприятный период года в виде семян. Такие однолетники, а также олднолетние растения с очень укороченным сроком развития (эфемеры) составляют важную часть флоры пустынь и полупустынь. В других климатических зонах эти растения составляют группу сорных трав.

Особую группу среди жизненных форм составляют растения, которые присутствуют одновременно во многих ярусах биоценоза, и отнести их к какой-то конкретной жизненной форме довольно затруднительно. Это растения-эпифиты – избравшие для себя другие растения в качестве среды обитания (они не являются паразитами!), а также различные лианы. К таким растениям относятся лишайники и мхи на стволах деревьев, многообразие лиан в тропических лесах, а также наши доморощенные лианы, такие как хмель, паслен сладко-горький, плющ и другие. Эти растения образуют группу внеярусной растительности.

Следует отметить, что один и тот же вид растений в различных условиях может иметь разные жизненные формы. Например, дуб и ель в лесной зоне или лесном поясе гор представляют собой обычные высокоствольные деревья, в то время как на Крайнем Севере они образуют кустарниковые и стланиковые формы.

Распределение жизненных форм растений, характерное для определенного географического региона, выраженное в процентах, называется спектром жизненных форм (табл. 7). Анализ глобальных данных о всех сосудистых растениях мира позволил получить так называемый глобальный, или нормальный спектр. Спектры для отдельных регионов Земного шара отражают воздействия факторов среды на характер адаптации растений в сообществах.

 

Таблица 7 Спектры жизненных форм

 

  Тип спектра   Фанеро- фиты   Хаме- фиты   Гемикри- птофиты   Крипто- фиты   Теро- фиты  

Глобальный, или норма льный спектр 46* 9 26 6 13

Широтные серии (влажные климаты)

Тропический дождевой лес 96 2 - 2 -

Субтропический лес 65 17 2 5 10

Лес умеренно теплой зоны 54 9 24 9 4

Лес умеренно холодной зоны 10 17 54 12 7

Тундра 1 22 60 15 2

Серии влажности (умеренные широты)

Мезофитный лес среднеумеренной

зоны 34 8 33 23 2

Дубовое редколесье 30 23 36 5 6

Сухой злаковник 1 12 63 10 14

Полупустыня - 59 14 - 27

Пустыня - 4 17 6 73

­______________

* - процент от общего числа изученных видов.

Таким образом, хорошо видно, что зона тропического дождевого леса, это зона фанерофитов, в умеренной зоне господствуют гемикриптофиты, а в пустыне - терофиты.

Кроме классификации Раункиера имеются и другие классификационные построения жизненных форм. В качестве примера можно привести наиболее разработанную подробную классификацию И.Г.Серебрякова. Он выделял типы, отделы, классы, подклассы, группы, подгруппы и секции жизненных форм. Серебряков создал целое научное направление - "экологическую систематику растений".

В основе системы Серебрякова лежит онтогенез, то есть индивидуальное развитие побега в конкретных условиях существования. Так, в классификации Серебрякова выделяются типы: кустарники, кустарнички, деревья, монокарпические травы (монокарпики цветут и плодоносят один раз в жизни), поликарпические травы и так далее. Например, в типе поликарпических трав выделяются стержнекорневые поликарпики, дерновые многолетники и так далее.

Следует отметить, что понятие жизненной формы следует отличать от понятия экологической группы организмов. Жизненная форма отражает весь спектр экологических факторов, к которым приспосабливается тот или иной организм, и характеризует специфику определенного местообитания. Экологическая же группа обычно узко специализирована в отношении отдельного фактора среды: света, влаги, тепла и т.д. (уже упоминавшиеся нами гигрофиты, мезофиты, ксерофиты - группы растений по отношению к влажности; олиготрофы, мезотрофы, эвтрофы - группы организмов по отношению к трофности, плодородию почв и т.п.).

Изучение многообразия жизненных форм позволяет глубже познать структуру и динамику сообщества, а также дать экологическую оценку местообитанию. Жизненные формы, преобладающие в сообществе, могут служить довольно точными индикаторами условия местообитания.

 

ГЛАВА 4. ЭКОЛОГИЯ ПОПУЛЯЦИЙ

Понятие «популяция» должно ассоциироваться в нашем сознании не с застывшей музейной коллекцией, а с оживленным аэропортом, куда постоянно одни люди прибывают, а другие убывают.

А.М.Гиляров

 

Экспериментальный материал, накопленный в экологии к первой четверти двадцатого века привел к формированию нового подхода при его анализе. Постепенно экологи, наряду с изучением морфологии, физиологии и поведения отдельных организмов и видов (аутэкология), перешли к исследованию свойств группировок совместно обитающих особей того или иного вида, положив начало развитию нового направления в экологии.

Совокупность особей одного вида, обитающая длительное время на определенной территории, носит название популяции. Направление экологии, изучающее динамику популяций, описываемую рядом характеристик, называется демэкология.

Хотя термин "популяция" получил широкое распространение в первой половине XX в., корни этого понятия обнаруживаются еще в древних литературных источниках. Уже в трудах Аристотеля можно найти указания на связи между организмами, сожительства животных и формы группировок. Он выделял группы животных кочевых и оседлых, ведущих одиночный и групповой образ жизни. "Отец ботаники" Теофраст описывал естественные сообщества растений как совокупность видов, приуроченных к определенным ландшафтам. Не останавливаясь на истории развития понятия популяции, отметим, что этот термин укоренялся в экологии довольно медленно, и до 1930 г. (выход в свет книги К.Фридерикса, переведенной на русский язык в 1932 г. под названием "Экологические основы прикладной зоологии и энтомологии") в научной литературе почти не применялся. До этого времени представление о популяции как особом явлении органического мира отсутствовало. Уточнение понятия "популяция" связано с бурным развитием в XX в. таких биологических наук, как генетика и экология.

 

4.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОПУЛЯЦИИ

 

Термин «популяция» был заимствован из демографии, где он обозначал народ, население (от лат. populus). Под популяцией понимается любая совокупность особей одного вида, проживающая длительное время на определенной территории, свободно скрещивающаяся друг с другом и дающая плодовитое потомство.

Множество биологов посвятило себя изучению тех или иных популяций животных, растений, микроорганизмов. Каждый из них хорошо знал, что он понимает под словом "популяция", но само определение популяции у многих исследователей различно. Связано это прежде всего и главным образом с теми задачами, которые каждый исследователь ставил перед собой. Можно изучать популяцию колорадского жука, населяющего отдельный лист картофеля, исследовать совокупность всех колорадских жуков на кусте картофеля в целом, или же изучать этих насекомых на всем картофельном поле.

Существует множество определений популяции, что говорит о неоднозначности понятия этого термина разными биологами и экологами. Приведем несколько из них. Прежде всего, одно из классических определений С.С.Шварца – эколога животных. В его определении популяция – это элементарная группировка особей одного вида, занимающая определенную территорию и обладающая всеми необходимыми условиями для поддержания стабильности длительное время в меняющихся условиях среды. Нетрудно заметить, что он определял популяцию с эволюционно-экологических понятий.

С позиции современной генетики популяция – это совокупность особей одного вида, имеющих общий генофонд и населяющих определенное пространство, с относительно однородными условиями обитания (Н.Ф.Реймерс).

Экологический аспект популяционной биологии в отличие от генетико-эволюционного направлен на изучение «повседневной» жизни популяции как формы существования вида в конкретных экосистемах. С этих позиций характерно определение популяции, данное И.С.Шиловым: популяция – это группировка особей одного вида, населяющих определенную территорию и характеризующихся общностью морфобиологического типа, специфичностью генофонда и системой устойчивых функциональных взаимосвязей.

Таким образом, представление о популяции микробиолога, изучающего бактерии, может отличаться от того, что вкладывает в это понятие ботаник, исследующий луговую или лесную растительность, или зоолог, изучающий естественные группировки львов, миграцию птиц или колонии прикрепленных животных океана. Нередко экологи вообще не задумываются над определением популяции, а пользуются этим термином для обозначения любой совокупности особей одного вида, населяющих какую-то более или менее однородную территорию или содержащихся в лабораторных условиях. Например, для генетиков обитающая в пробирке общность мушек дрозофил будет являться такой же популяцией, что и штаммы различных бактерий в чашках Петри у микробиологов. И тем не менее, несмотря на разночтения, определению понятия "популяция" и ее основных свойств должно быть уделено пристальное внимание.

В наиболее общем виде популяцию можно определить как группу организмов одного определенного вида, обитающих совместно на отдельной территории и обладающих общими свойствами. Исходя из такого определения популяцией можно назвать всех дроздов, живущих в каком-то лесном массиве, всех дафний, населяющих отдельный пруд или лужу, всех мучных жуков, живущих в одной банке. К общим свойствам, объединяющим все эти организмы в особую систему, прежде всего следует отнести свойство общего родства (конкретнее, генетическое родство организмов, составляющих популяцию) и обитание видов в сходных условиях.

Для генетиков такого определения популяции как любой группы организмов одного вида на определенной территории уже недостаточно. Ведь в этом случае популяция - это и колония мышей в клетке, и видовое население целых ландшафтных зон, например белки в Евразии. Поэтому вместе с развитием понятия популяция экологи все в большей мере учитывают определенную внутреннюю структуру популяции, ее гетерогенность, несхожесть особей одного вида. Популяция предстала как сложное эволюционное образование со своей внутренней структурой и определенными законами организации и функционирования.

Эколога, изучающего отдельные популяции, не устраивает то упрощенное определение, которое удовлетворяло бы эколога, специализирующегося на изучении экосистем. Во-первых, нередки случаи, когда в течение своей жизни особи какого-либо вида переходят из одной экосистемы в другую (например, у стрекоз личинки развиваются в воде). Во-вторых, возможны ситуации, когда на большой территории, занятой одной экосистемой, обитают несколько генетически изолированных популяций, каждая из которых может иметь свои экологические особенности. Поэтому при изучении отдельных популяций необходимо пристально следить за всеми жизненными стадиями изучаемого вида, независимо от того, в состав каких экосистем они входят.

В некоторых случаях эколог трактует изучаемую совокупность особей как популяцию, тогда как генетик выделяет в ее пределах группы особей, не родственных друг другу и не обменивающихся между собой генами. Так, среди дафний одного вида, населяющих небольшой пруд, генетики обнаружили несколько различных партеногенетически размножающихся семей. Эколог же при решении определенных задач этими генетическими различиями может пренебречь.

Важнейшим признаком популяции является занимаемая ею общая территория. Но в пределах популяции могут быть более или менее изолированные по разным причинам группировки. Поэтому дать исчерпывающее определение популяции затруднительно из-за размытости границ между отдельными группами особей.

Среди множества видов живых организмов есть такие, которые в течение длительного времени держатся на одной территории, сохраняя более или менее постоянную численность. Другим видам свойственны сильные колебания численности, нередко сопровождаемые значительными изменениями площади занимаемой территории. Классическим примером могут служить некоторые саранчовые, образующие мигрирующую "стадную" фазу и дающие настоящие вспышки численности. Так, например, у обитающей в Африке красной саранчи в период образования "стадной" фазы область распространения увеличивается в тысячи раз по сравнению с той областью, где она живет постоянно. Так, в 1962 году на юге Марокко саранча за пять дней уничтожила 7 тыс. т апельсинов (по 60 т в час). Это цифра превышает годовое потребление цитрусовых в такой стране, как Франция.

В 125 году до нашей эры саранча уничтожила все посевы пшеницы и ячменя в римских провинциях Киренаике и Нумидии (в Северной Африке), и население этих стран - 800 тысяч человек! - умерло от голода.

Явления, когда стаи саранчи покрывают воздушное пространство на площади в 5-12 квадратных километров, совсем не редки. В такой стае насчитывается от 700 млн до 2 млрд насекомых, а общий их вес составляет около 3 тыс. т (2,5 т на гектар). Мало того, известны случаи, когда стаи саранчи сплошь затмевали небо на 250 км2. Приблизительные подсчеты показывают, что примерно 35 млрд насекомых, составляющих эту стаю, весят 50 тыс. т. Предполагается, что все насекомые в подобных чудовищных стаях весят, по-видимому, лишь вчетверо меньше, чем все люди на планете! В это с трудом верится...

Оценить влияние саpанчи на пpиpоду Малой Азии и Сpедиземномоpья можно, опиpаясь на цитату В.И.Веpнадского, в котоpой он пишет: "Я несколько лет тому назад попpобовал более понятно выpазить вес одной тучи саpанчи, наблюдавшейся доктоpом Кpаутеpом над Кpасным моpем в 1889 г. до оpганизации междунаpодной боpьбы с саpанчей. Вес этой тучи отвечал 4,4*107 т. Он был почти pавен весу меди, цинка и свинца вместе взятых, выpаботанных человечеством в течение (XIX в. прим. авт.) столетия. Туча саpанчи - как бы гоpная поpода в движении". Добавим к этому, масса, обладающая колоссальным потенциалом биологического обмена!

Такую вот стаю саранчи, улетевшую по ветру на тысячи километров от места своего постоянного обитания, эколог скорее посчитает популяцией, но генетики и эволюционисты остерегаются применять этот термин к подобным группировкам.

Таким образом, резюмируя, можно сказать, что популяция – это часть вида (состоит из особей одного вида), занимающая относительно однородное пространство и способная к саморегулированию и поддержанию определенной численности. Каждый вид в пределах занимаемой территории, таким образом, распадается на популяции, т.е. состоит из одной или нескольких популяций, и популяция, таким образом, - это форма существования вида, его наименьшая эволюционирующая единица.

Любая популяция характеризуется показателями, присущими только им, имеет определенную организацию и структуру. Такие признаки могут выражаться статистическими функциями, т.е. популяцию и ее свойства можно описать с использованием математического аппарата. Таковы, например, структура, плотность, численность, рождаемость, смертность. Некоторые характеристики популяций взаимосвязаны: смертность определяет структуру, рождаемость - плотность и т.д.

Следует подчеркнуть, что между отдельным организмом и популяцией организмов существует принципиальная разница. Как капля воды не отражает свойства реки, озера, океана, так и организм, взятый в отдельности, не может характеризовать всю популяцию в целом.

Единственным носителем признаков популяции является группа особей, но не отдельные особи в этой группе. Отдельный организм в популяции рождается, живет, умирает, но экологов это интересует только как возможность посредством исследования поведения отдельного индивидуума познать свойства группы в целом. Особые свойства, присущие популяции, отражают состояние ее как группы организмов в целом, а не отдельных особей, т.е. свойство популяции как группы организмов не есть механическая сумма свойств каждой слагающей ее особи.

Популяции присущи как пространственные (статические), так и временные (динамические) характеристики. К пространственным характеристикам относятся общая численность, плотность, пространственное распределение (дисперсия), а также различные характеристики популяционной структуры - возрастной (соотношение количества особей различного возраста), половой (соотношение полов). Они характеризуют состояние популяции в какой-то определенный момент времени t. Из временных (динамических) характеристик отметим рождаемость, смертность, скорость роста, кривую роста. Данные показатели характеризуют процессы, протекающие в популяции за некоторый промежуток времени Dt. Кроме этого, для популяции характерно наличие сложных взаимоотношений с окружающей ее средой.

 

4.2. Пространственная структура популяций.

Типы пространственного распределения

 

Под пространственной структурой популяции понимаются особенности и характер размещения особей популяции в пространстве.

Пространственная структура имеет важное экологическое значение. Прежде всего, определенный тип использования территории позволяет популяции эффективно использовать ресурсы среды и снизить внутривидовую конкуренцию. Эффективность использования среды и снижение конкуренции между представителями популяции позволяют ей укрепить свои позиции по отношению к другим видам, населяющим данную экосистему.

Другое важное значение пространственной структуры популяции состоит в том, что она обеспечивает взаимодействие особей внутри популяции. Без определенного уровня внутрипопуляционных контактов популяция не сможет выполнять как свои видовые функции (размножение, расселение), так и функции, связанные с участием в экосистеме (участие в круговоротах веществ, создание биологической продукции и так далее).

Одним из важных параметров, определяющих пространственную структуру, является численность особей в популяции. Наблюдая за свойствами различных популяций, будь то популяции животных или растений, можно видеть, что численность их бывает очень различной. Это может быть и сотня деревьев, встречающихся на гектаре соснового леса, и миллионы одноклеточных водорослей в экосистеме пруда или озера, и несколько грифов, живущих на недоступных скалах, и тучи скворцов над только что засеянным ржаным полем.

Численность особей в популяции - одна из важных характеристик при экологических исследованиях, особенно когда речь идет об исчезающих видах растений и животных. Здесь приходится решать вопрос о допустимых минимальных размерах популяции, при которых она способна к самовоспроизведению. Под численностью популяции понимается общее количество особей в популяции.

Проявляя заботу о сохранении вида, человек должен прежде всего думать о сохранении популяции. Для популяций различных видов существуют допустимые пределы снижения численности особей, за которыми существование популяции становится невозможным. Точных данных о критических значениях численности популяций в литературе нет. Приводимые значения разноречивы. Остается, однако, несомненным факт, что чем мельче особи, тем выше критические значения их численности. Для микроорганизмов это миллионы особей, для насекомых – десятки и сотни тысяч, а для крупных млекопитающих – несколько десятков. Численность не должна уменьшаться ниже пределов, за которыми резко снижается вероятность встречи половых партнеров. Критическая численность также зависит от других факторов. Например, для некоторых организмов специфичен групповой образ жизни (колонии, стаи, стада). Группы внутри популяции относительно обособлены. Могут иметь место такие случаи, когда численность популяции в целом еще достаточно велика, а численность отдельных групп уменьшена ниже критических пределов. Например, колония (группа) перуанского баклана должна иметь численность не менее 10 тыс. особей, а стадо северных оленей – 300 – 400 голов.

Определение численности популяции кажется простым только на первый взгляд. Хорошо, если мы имеем дело с особями, постоянно проживающими на данной территории: растения, оседлые, малоподвижные или крупные животные. В этом случае используется наиболее простой способ определения численности - простой подсчет всех особей.

В этом случае все особи можно учесть визуально без особой погрешности. Так, дикие северные олени Кольского полуострова в конце зимы - начале весны скапливаются на небольших горных возвышенностях, где благодаря более тонкому снежному покрову могут докопаться до лишайников, служащих им в это время основным кормом. Зоологи могут облететь на самолете места скоплений животных и подсчитать поголовье оленей в стаде. В этом случае можно провести довольно точный подсчет особей, слагающих популяцию.

Еще легче подсчитать все деревья на определенной лесной площади или травянистые растения на луговой делянке. А как быть, к примеру, с мигрирующими или кочующими животными, рыбным населением водоемов, планктонными организмами и т.п.?

Здесь практикуются другие оценки численности популяции. Для этого используются различные способы. Один из них - мечение или кольцевание. При отлове животных часть из них помечают (случайная выборка) и затем выпускают обратно, чтобы они смешались с остальными членами популяции. Через некоторое время производят повторный отлов, получают еще одну случайную выборку и устанавливают ту долю, которую составляют меченые особи от общего числа пойманных. Затем по величине этой доли устанавливают численность популяции.

Гидробиологи, изучающие мелких и мельчайших придонных животных, употребляют дночерпатель, который позволяет оценить количество особей на определенной поверхности слоя грунта. Изучающие планктон, пользуются особым прибором – батометром, захватывающим определенный объем воды с находящимися там мелкими организмами.

В тех же случаях, когда оценить непосредственно общую численность популяций, растений или микроорганизмов невозможно, прибегают к закладке так называемых пробных учетных площадок (круглых или квадратных) или к отбору отдельных проб и дальнейшему подсчету числа особей в полученных выборках. Полученные таким образом данные позволяют оценить плотность популяции.

Плотность популяции определяется как количество особей вида на единице площади (главным образом земной поверхности) или же в единице объема (водная среда, экспериментальная культура), например, 200 деревьев на 1 га, 50 человек на 1 км2, 20 головастиков на 1 м3 воды. В некоторых случаях этот показатель оценивается через число встреч на маршруте движения животного (весенние учеты по пению самцов птиц, оценка популяций перелетных птиц, зимние учеты млекопитающих по следам на снегу и т.п.). Максимальная плотность для различных видов организмов и условий существования сильно варьирует. На одном гектаре земли может обитать значительно больше особей подорожников, чем, скажем, оленей или кабанов. Некоторые виды птиц (пингвины, чайки) образуют так называемые "птичьи базары". Нередки огромные скопления розовых фламинго на некоторых озерах экваториальной Африки. В то же время многие виды среднеевропейских лесных певчих птиц никогда не достигают и 1/10 такой плотности.

Различают среднюю плотность, т.е. количество особей на единице всего пространства, и экологическую плотность, т.е. количество особей на единице обитаемого пространства.

В чем различие между этими показателями можно понять из примера, приведенного Ю. Одумом для лесного аиста, обитающего в заповеднике во Флориде. "В этой местности плотность мелких рыб с падением уровня воды в течение сухого зимнего сезона в целом снижается, но экологическая плотность возрастает, так как по мере сокращения зеркала воды увеличивается число рыб, приходящихся на единицу водной поверхности. Аисты откладывают яйца в такое время, что вылупление птенцов приходится на период пика экологической плотности рыб. Это облегчает родителям ловлю рыбы, которая составляет основную пищу птенцов".

Особи живых организмов (растения, животные, микроорганизмы) обычно распределены в пространстве неравномерно. Причины здесь могут быть самые различные: влияние изменяющихся факторов среды, внутри- и межвидовые взаимоотношения организмов, влияние человека и т.п. Именно поэтому при исследовании отдельных популяций эколог должен всегда иметь в виду, что репрезентативность выборки (соответствие показательности наблюдения действительным характеристикам объекта в целом) зависит не только от размера и метода отбора проб, но и от того, как эти пробы размещаются в пространстве. Для этого необходимо знать закономерности пространственного распределения особей, составляющих популяции.

В общем виде можно выделить три типа распределения особей: случайное, регулярное (равномерное) и групповое (пятнистое, скученное, агрегированное).

Случайное распределение имеет место тогда, когда организмы распределяются в однородной среде. В этом случае сила и направление воздействия абиотических и биотических факторов случайно изменяются во времени и пространстве. Случайное распределение встречается в природе не очень часто, хотя само действие случайных природных факторов само по себе не редкость. Такое случайное распределение характерно, к примеру, для пауков, обитающих в лесной подстилке.

С данным типом размещения особей в популяции связана концепция "распределения риска" (spreading of risk), Предложенная голландскими исследователями П. Буром и Я. Редингиусом. Она гласит, что численность любого вида в природе поддерживается на определенном уровне (точнее, в определенных границах) постольку, поскольку риск гибели особей от каких-либо неблагоприятных факторов случайно распределен во времени и пространстве. Таким образом, механизм воздействия на популяцию неблагоприятных факторов среды обусловлен случайными процессами. Поэтому популяция, даже если какая-либо ее часть погибнет в результате катастрофического воздействия, не уничтожится, потому что такие катастрофы не происходят сразу во всех или многих местах.

Групповое (пятнистое) распределение свойственно многим организмам, обитающим не только в наземных, но и в водных экосистемах. Это наиболее распространенный тип распределения особей в природных популяциях. Размещение особей группами обусловлено прежде всего микрокомплексностью среды и мозаичностью экологических условий ("пятнистость среды").

В результате скопления особей происходит образование групп разных размеров. Образование этих групп происходит по разным причинам: вследствие локальных различий в местообитаниях, под влиянием суточных и сезонных изменений погодных условий; в связи с процессами размножения, и т.д.

Примеров такого группового распределения можно привести множество. Огромными косяками передвигаются с место на место многие рыбы. В большие стаи собираются водоплавающие птицы, готовящиеся к дальним перелетам. Колонии бакланов, гнездящихся на островах возле побережья Перу, достигают численности 10 000 особей при средней плотности три гнезда на 1 м2. Северо-американские северные олени карибу в условиях тундры образуют огромные стада. В южноамериканских тропиках группы муравьев, вооруженные могучими челюстями и жалами, выстраиваются фронтом 20-метровой ширины и идут в атаку, истребляя по пути всех, кто замешкался и не в силах спастись бегством.

Такие же примеры можно привести и для растений: пятнистое размещение растений клевера на лугу, пятна мхов и лишайников в тундре, скопление кустарничков брусники в сосновом лесу, обширные пятна кислицы в еловом лесу, земляничные поляны на светлых лесных опушках и т.п.

Групповое размещение организмов является своеобразным приспособительным фактором в жизни и функционировании популяций отдельных видов. К примеру, у насекомых, образующих большие группы, повышается активность, у особей происходят гормональные изменения, ускоряющие их половое созревание и повышающие плодовитость. Особям, образующим группировки, свойственна высокая выживаемость. Такая оптимизация физиологических процессов, ведущая к повышению жизнеспособности организмов, ведущая к повышению их жизнеспособности, получила названия «эффект группы».

Эффект группы выражается в оптимизации физиологических процессов, ведущей к повышению жизенеспособности при совместном существовании. Наиболее характерен он для животных и проявляется в ускорении темпов их роста, повышении плодовитости, более быстром образовании условных рефлексов, повышении средней продолжительности жизни т т.п. Например, у овец вне стада учащаются пульс и дыхание, а при виде приближающегося стада эти процессы нормализуются. У зимующих рыб, лягушек, моллюсков, насекомых наблюдается экономия энергетических затрат при скоплениях, что позволяет им наиболее комфортно перенести неблагоприятные условия. Таким образом, даже с учетом частных неблагоприятных отклонений эффект группы способствует процветанию, выживаемости и устойчивости группы организмов в целом.

Регулярное (равномерное) распределение может наблюдаться при сильном антагонизме особей (конкуренции), когда вероятность нахождения одной особи рядом с другой крайне мала. В природе такой тип распределения встретить трудно, хотя нередко можно наблюдать размещение организмов, отклоняющееся от случайного в сторону большей регулярности. Чаще всего при иллюстрации такого типа распределения ссылаются на размещение деревьев в лесу, где конкуренция за свет настолько высока, что они отстоят друг от друга на более или менее равномерное расстояние. Как хрестоматийный пример равномерного распределения, обычно приводят распределение жука Tribolium в муке. Однако, такие примеры «равномерного» распределения достаточно условно.

Регулярное распределение чаще всего можно наблюдать в искусственно созданных человеком сельскохозяйственных системах – садах, огородах. Так, при посадке, равномерно можно распределить яблоневые деревья в саду, используя мерную ленту. В огороде таким образом можно высадить кусты ягодных культур, некоторые овощные растения.

 

4.3. Половая структура популяций

 

Половая структура популяции определяет соотношение в ней особей разного пола. Генетический механизм определения пола обеспечивает расщепление потомства по полу в отношении, близком 1 : 1. Это так называемое первичное соотношение полов. Оно определяется генетическими механизмами - равномерностью расхождения половых хромосом. Например, у человека XY-хромосомы определяют развитие мужского пола, а XX - женского. В этом случае первичное соотношение полов 1:1, то есть равновероятно.

Однако, в популяции соотношение полов, как правило, не равно 1 : 1. т.е. количество самцов и самок различно. Это связано с тем, что сцепленные с полом признаки часто определяют значительные различия в физиологии, экологии и поведении самцов и самок. В связи с этим в популяциях часто наблюдается более высокая вероятность гибели представителей какого-либо пола, а значит соотношение полов в популяции изменяется.

Такое соотношение полов при рождении и на ранних стадиях развития организмов, когда на генетическую обусловленность накладываются различные экологические факторы, называется вторичным соотношением. Оно может существенно отличаться от первичного по целому ряду причин: избирательность яйцеклеток к сперматозоидам, несущим X- или Y-хромосому, неодинаковой способностью таких сперматозоидов к оплодотворению, различными внешними факторами. Например, зоологами описано влияние температуры на вторичное соотношение полов у рептилий. Аналогичная закономерность характерна и для нек оторых насекомых. Так, у муравьев оплодотворение обеспечивается при температуре выше 20оС, а при более низких температурах откладываются неоплодотворенные яйца. Из последних вылупляются самцы, а из оплодотворенных - преимущественно, самки.

У некоторых видов пол изначально определяется не генетическими, а экологическими факторами. Например, корнеплод из семейства ароидных аризема японская дает растения с женскими цветами только из самых крупных и хорошо развитых клубней. Из мелких и слабых клубней образуются растения с мужскими цветами.

У некоторых животных (например, амфибий) такие факторы среды, как температура, содержание и концентрация гормонов, могут влиять на развитие таким образом, что половые различия будут отличаться от первичного хромосомного набора. Так, в среднеевропейских популяциях травяной лягушки облик молодых животных отражает внешность самок. Лишь к концу второго года жизни половина из них превращается в самцов.

У муравьев, пчел и других общественных насекомых число цариц (самок, способных к половому размножению) в популяции регулируется рабочими особями посредством специфического питания.

Соотношение полов среди половозрелых, размножающихся особей, называется третичным соотношением. Половой состав на данной стадии развития организмов весьма динамичен и изменчив. Для человека и других млекопитающих отмечена общая закономерность, заключающаяся в уменьшении доли самцов в старших возрастных группах.

Например, у человека вторичное соотношение полов составляет 100 девочек на 106 мальчиков. По достижении 18-летнего возраста это соотношение выравнивается из-за повышенной мужской смертности. К 50 годам третичное соотношение составляет уже 85 мужчин на 100 женщин, а к 80 годам – 50 мужчин на 100 женщин.

Следует отметить, что половая структура, то есть соотношение полов, имеет прямое отношение к воспроизводству популяции и ее устойчивости.

 

4.4. Возрастная структура популяций

 

Важной характеристикой при исследовании популяции является ее возрастная структура, влияющая как на рождаемость, так и на смертность. Соотношение разных возрастных групп в популяции определяет ее способность к размножению и показывает перспективу популяции. В быстрорастущих популяциях молодые особи составляют большую долю. Поэтому состояние популяции по прошествии определенного промежутка времени будет зависеть от ее нынешнего полового и возрастного состава.

Возрастной состав популяции наглядно отражают так называемые возрастные пирамиды, представляющие собой гистограммы возрастного распределения особей (рис. ).

На рис. представлено возрастное распределение населения Франции по состоянию на 1 января 1967 г. В возрастной структуре населения европейских стран глубокий след оставили две мировые войны, разразившиеся в XX столетии. Эти два следа хорошо видны на приведенной возрастной пирамиде (верхнее сужение - последействие первой мировой войны, нижнее - результат второй мировой войны).

Если в популяции размножение происходит постоянно, то по возрастной структуре устанавливают – сокращается или увеличивается численность.

В большинстве популяций репродуктивная способность их членов изменяется с возрастом. В современной экологии при исследовании возрастного состава популяции выделяют три экологические возрастные группы:

■ пререпродуктивную;

■ репродуктивную;

■ пострепродуктивную.

Длительность этих возрастов по отношению к общей продолжительности жизни сильно варьирует у разных организмов.

Как правило, наибольшей жизнеспособностью отличаются популяции, в которых все возраста представлены относительно равномерно. Такие популяции называют нормальными.Если в популяции преобладают старые особи, это однозначно свидетельствует о наличии отрицательных факторов в ее существовании, нарушающих воспроизводительные функции. Такие популяции рассматривают как регрессивные,или вымирающие.Требуются срочные меры по выявлению причин такого состояния и их исключению. Популяции, представленные в основном молодыми особями, рассматриваются как внедряющиеся,или инвазионные.Жизненность их обычно не вызывает опасений, но велика вероятность вспышек чрезмерно высокой численности особей, поскольку в таких популяциях не сформировались трофические и другие связи. Особенно опасно, если такие популяции представлены видами, которые здесь ранее отсутствовали. В таком случае эти популяции обычно находят и занимают свободную экологическую нишу и реализуют свой потенциал размножения, интенсивно увеличивая численность.

При благоприятных условиях в популяции имеются все возрастные группы и поддерживается сравнительно стабильный уровень численности. На возрастной состав популяции, помимо общей продолжительности жизни, влияют длительность периода размножения, число генераций в сезон, плодовитость и смертность разных возрастных групп. К примеру, у полевок взрослые особи могут давать потомство три раза в год или более, а молодые особи способны размножаться через 2-3 месяца.

В популяциях растений может наблюдаться еще более сложная картина. Дубы, например, дают семенную продукцию в течение нескольких столетий. Как результат, популяции у них формируются из огромного количества возрастных групп.

Если популяция находится в нормальном или близком к нормальному состоянии, человек из нее может изымать то количество особей или биомассу (последний показатель обычно используется применительно к растительным сообществам), которая прирастает за промежуток времени между изъятиями. Ясно, что изыматься должны прежде всего особи послепродуктивного возраста (окончившие размножение). Если преследуется цель получения определенного продукта, то возраст, пол или другие характеристики популяций корректируются с учетом поставленной задачи.

Обычно в начальный период роста (пререпродуктивная стадия) организмы размножаться не способны. Длительность этого периода у различных видов сильно варьирует - от нескольких минут у микроорганизмов до нескольких лет у человека, многих млекопитающих, деревьев. Пререпродуктивный период может продолжаться большую часть жизни, как, например, у поденок (личиночное развитие в воде занимает от года до нескольких лет из-за длительного развития личинок) и 17-летней цикады (пререпродуктивная стадия достигает нескольких лет). Однако, характерно, что репродуктивный период у этих видов очень короток (у поденок несколько дней, у цикады менее одного сезона), а пострепродуктивный период и вовсе практически отсутствует, как у многих других видов.

Иллюстрацией вышесказанного является рис. , на котором показано соотношение пререпродуктивного, репродуктивного и пострепродуктивного периодов у разных видов беспозвоночных и позвоночных животных.

Видно, что у поденок и сосновой совки пререпродуктивный период составляет более 95% общей продолжительности жизни. У саранчи же и дрозофилы пререпродуктивный период не превышает 50% общей продолжительности жизни.

Иное положение наблюдается в популяциях человека, а также животных, которые содержатся в искусственно созданных условиях (комнатные, домашние животные, обитатели зоопарков). Особи в таких популяциях доживают до пострепродуктивного периода. У современного человека три эти "возраста" примерно одинаковы, на каждый из них приходится около трети жизни. У первобытных людей пострепродуктивный период был намного короче.

В настоящее время соотношение возрастных экологических групп в популяции людей меняется. Увеличивается число детей, подростков и пенсионеров, т.е. непроизводительных слоев населения. Доля детей до 15 лет в большинстве развивающихся стран увеличилась до 50%, пожилых людей старше 65 лет - до 15%. Такое изменение соотношения возрастных групп приводит к увеличению нагрузки на трудоспособную часть населения.

 

4.5. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОПУЛЯЦИЙ

 

Естественные популяции это не раз и навсегда застывшая совокупность особей, а динамическое единство находящихся во взаимоотношениях организмов. Изменение в численности, структуре и распределении популяций как реакция на условия окружающей среды называется динамикой популяции.

Динамические характеристики популяций отражают временные процессы, протекающие в них с определенной скоростью. Динамика популяций в упрощенном варианте может быть описана такими показателями как рождаемость и смертность. Это наиболее важные популяционные характеристики, на основании анализа которых можно судить об устойчивости и перспективном развитии популяции.

Рождаемость – одна из основных характеристик популяции и определяется как число особей, рожденных в популяции за некоторый промежуток времени (час, день, месяц, год).При этом термин "рождаемость" характеризует появление особей любых видов, независимо от способов появления их на свет: будь это прорастание семян подорожника или овса, появление детенышей из яиц у курицы или черепахи, рождение потомства у слона, кита, либо человека.

Экологи различают максимальную рождаемость в условиях отсутствия лимитирующих экологических факторов (добиться этого практически весьма сложно, если даже не невозможно). Под максимальной рождаемостью понимается теоретически возможный максимум скорости образования новых особей в идеальных условиях. Размножение организмов сдерживается только их физиологическими особенностями. Например, теоретическая скорость размножения различных видов во многих случаях может быть довольно высокой. Если мы примем за основу такой показатель, как время захвата видом всей поверхности Земли, то для бактерии холеры Vibrio cholerae он будет составлять 1,25 суток, для диатомовой водоросли Nitschia putrida - 16,8, для домашней мухи Musca domestica - 366, для курицы - около 6000, для слона - 376000 суток. Максимальная рождаемость постоянна для данной популяции.

Как уже сказано выше, любая популяция теоретически способна к неограниченному росту своей численности. Показатель такого неограниченного роста отражает биотический потенциал – теоретический максимум потомков от одной пары (или одной особи) за единицу времени (за год или за весь жизненный цикл) при реализации способности организмов увеличивать численность в геометрической прогрессии.

Биотический потенциал многих организмов, прежде всего наиболее мелких, огромен, и если бы ничто не сдерживало рост их популяций, то они чрезвычайно быстро заселили бы собой всю Землю. Обычно биотический потенциал тем выше, чем ниже уровень организации организмов. Так, дрожжевые клетки, размножающиеся простым делением, при наличии условий для реализации биотического потенциала могли бы освоить все пространство земного шара за несколько часов; гриб дождевик, приносящий до 7,5 млрд. спор, уже во втором поколении освоил бы весь земной шар. Крупным организмам с низким потенциалом размножения потребовалось бы для этого несколько десятилетий или столетий.

Однако реализация биотического потенциала ограничивается действием различных экологических факторов и может проявляться только в отдельных случаях и в течение коротких промежутков времени. Например, если быстроразмножающиеся организмы (насекомые, микроорганизмы) осваивают какой-либо субстрат или среду, где нет конкурентов. Такие условия создаются, в частности, при освоении экскрементов крупных животных насекомыми, при размножении организмов в средах, богатых питательными веществами, например, в загрязненных органическими и биогенными веществами водоемах и т.п. В этом случае увеличение численности идет по J-образной кривой. Такой тип роста носит название экспоненциального.Близкий к экспоненциальному тип роста характерен в настоящее время для популяции человека. Он обусловлен прежде всего резким снижением смертности в детском возрасте. Для человека характерна кривая выживаемости потомства первого типа (рис. ).

Рис. Экспоненциальная (А) и логистическая (Б) кривые роста популяций

Для большинства же популяций и видов выживаемость характеризуется кривой второго типа, которая отражает высокую смертность молодых особей или их зачатков (яйца, икринки, споры, семена и т.п.). При таком типе выживаемости (смертности) численность популяции обычно выражается S-образной кривой. Такая кривая носит название логистической.

В отличие от максимальной, экологическая, или реализованная рождаемость (или просто рождаемость) характеризует прирост или увеличение численности популяции при фактических или специфических условиях среды.

Реализованная рождаемость - величина не постоянная, она зависит от параметров популяции и специфических физических условий среды. Обычно рождаемость выражают числом особей, родившихся за некоторый промежуток времени.

Число особей, родившихся за определенное время, называется абсолютной или общей рождаемостью.

Удельная рождаемость определяется числом особей, родившихся за определенное время в расчете на одну особь в популяции.

Единица времени может быть различной в зависимости от темпов и скорости размножения организма. Для бактерий это может быть час, для насекомых - сутки или месяц, для большинства млекопитающих этот процесс растягивается на месяцы. Предположим, что в городе с населением 100 000 появилось 8000 новорожденных. Абсолютная рождаемость составит 8000 в год, а удельная - 0,08, или 8%.

Различие между абсолютной и удельной рождаемостью легко проиллюстрировать на примере. Популяция из 20 простейших в некотором объеме воды увеличивается путем деления. Через час ее численность возросла до 100 особей. Абсолютная рождаемость при этом составит 80 особей в час, а удельная рождаемость (средняя скорость изменения численности на особь в популяции) - 4 особи в час при 20 исходных.

Смертность - величина, обратная рождаемости. Это число погибших в популяции особей за единицу времени. Подобно рождаемости, смертность можно выразить числом особей, погибших за данный период (число смертей в единицу времени) или же в виде удельной смертности для всей популяции или ее части. При определении смертности популяции учитываются все погибшие особи независимо от причины смерти (умерли ли они от старости или погибли в когтях хищника, отравились ли ядохимикатами или замерзли от холода и т.д.).

Для анализа роста численности популяции обычно пользуются данными, отражающими величину смертности. Для этого составляют так называемые таблицы и кривые выживаемости - определяют, как смертность распределяется по возрастам.

В основном смертность и возрастная структура видов зависят от того, какие шансы для выживания имеют особи в различных возрастных группах. Наглядную информацию дает кривая выживаемости отдельных видов, полученная путем подсчета процента живых особей в отдельной популяции. Для большинства видов такая кривая обычно может быть одним из трех наиболее типичных вариантов (рис. ).

У видов, для которых роль внешних факторов в смертности невелика, кривая выживания характеризуется небольшим понижением до определенного возраста, после которого происходит резкое падение вследствие естественной (физиологической) смертности. Кривая данного типа довольно выпуклая и соответствует ситуации, при которой смертность ничтожно мала в течение большей части жизни, но затем резко возрастает, и за короткий срок наблюдается гибель всех особей.

Такое положение характерно для бабочек-поденок, дрозофил и других насекомых. Они, через некоторое время после выхода из куколок спариваются, а после откладывания яиц в массе гибнут. Обычно считают, что к такой кривой приближается выживание человека в высокоразвитых индустриальных странах. Этот тип носит название типа дрозофилы: именно его демонстрируют дрозофилы в лабораторных условиях (не поедаемые хищниками).

Кривая II типа представляет собой диагональ и соответствует постоянной, т.е. независимой от возраста смертности в течение всей жизни. Данный тип кривой выживания встречается среди рыб, пресмыкающихся, птиц, многолетних травянистых растений. Этот тип принято называть типом гидры – для нее свойственна кривая выживания, приближающаяся к прямой линии.

Для очень многих видов характерна высокая смертность на ранних стадиях онтогенеза. Кривая этого типа сильновогнутая и отражает массовую гибель особей в начальный период жизни, а затем относительно низкую смертность оставшихся организмов. У таких видов кривая выживания характеризуется резким падением в области младших возрастов. Особи, переживающие «критический» возраст, демонстрируют низкую смертность и доживают до больших возрастов.

Данный тип кривой часто называют типом устрицы, потому что у этого моллюска на одной из стадий развития имеется планктонная личинка, и именно на этой стадии наблюдается чрезвычайно высокая смертность особей. Такая кривая свойственна донным беспозвоночным, имеющим планктонных личинок а также многим организмам, характеризующимся большой плодовитостью и отсутствием заботы о потомстве. При этом типе смертности наблюдается максимальная гибель животных в личиночной стадии или в молодом возрасте, а у растений – в стадии прорастания семян и всходов. У насекомых до взрослых особей доживает 0,3-0,5% от отложенных яиц, у многих рыб – 1-2% от количества выметанной икры.

Изучение кривой выживания представляет большой интерес для эколога. Оно позволяет судить о том, в каком возрасте тот или иной вид наиболее уязвим. Если действие причин, способных изменить рождаемость или смертность приходится на наиболее уязвимую стадию, то их влияние на последующее развитие популяции будет наибольшим. Эту закономерность необходимо учитывать при организации охоты или в борьбе с вредителями.

Следует подчеркнуть, что реально встречающиеся кривые выживания нередко представляют собой некоторую комбинацию указанных выше типов.

Известно, что в природе редкий вид доживает до максимального возраста, поэтому величина максимальной продолжительности жизни не представляет большого интереса для эколога. Ее учитывают только как точку отсчета при популяционных исследованиях.

Максимальная продолжительность жизни у разных организмов различна (табл. 8). На этот счет можно привести довольно большое количество фактов длительности существования особей.

 

Таблица 8. Продолжительность жизни некоторых видов

растений и животных

 

Вид Срок жизни, лет Вид Срок жизни, лет  
РАСТЕНИЯ Слоновая черепаха > 150  
Пшеница ПТИЦЫ  
Виноград 80-100 Ласточка  
Яблоня Скворец  
Дуб Полярная крачка  
Кипарис Домашний голубь  
БЕСПОЗВОНОЧНЫЕ Африканский страус  
Пчела   Беркут  
Обыкновенная чешуйница Гриф  
Муравей Млекопитающие  
Земляной червь Землеройка  
Омар Мышь
Пресноводная жемчужница > 100 Белая крыса > 4  
РЫБЫ Морская свинка > 7  
Гуппи Кролик  
Карп > 50 Овца  
Белокорый палтус Собака > 24  
Осетр > 100 Корова > 30  
ЗЕМНОВОДНЫЕ И ПРЕСМЫКАЮЩИЕСЯ Лев  
Малая лягушка Зебра > 38  
Жаба Гиппопотам  
Гигантская саламандра > 50 Индийский слон > 77  
Аллигатор Человек 70-80  

Особенно высокая продолжительность жизни отмечена у растений, в частности среди древесных пород. В 1951 г. в Калифорнии, в опустыненном районе Белых гор, где выпадает всего 250 мм осадков в год, на высоте 3000 м обнаружили рощу из конусообразных деревьев высотой около 10 м - остистых сосен. Ученые определили, что возраст 17 деревьев превышал 4000 лет, а некоторые дожили до 4600-4800 лет. Чемпионом долголетия можно считать секвойядендрон гигантский (веллигтония), или мамонтово дерево. Леса из нее произрастают на юго-западе горного хребта Сьерра-Невада в Калифорнии. Возраст этих деревьев высотой до 85 м оценивается в 3000-5000 лет.

Среди животных наибольшее варьирование продолжительности жизни как отдельных особей, так и клонов в зависимости от экологических условий характерно для эволюционно менее продвинутых форм, в особенности одноклеточных. Так, сосущие инфузории рода Tokophrya при обильном питании живут несколько дней, при скудном — несколько месяцев; в роде Paramaecium (инфузория-туфелька) одни клоны живут не долее 2 месяцев, другие — до 10 лет. Максимальная продолжительность жизни одноклеточного — порядка 1 года.

Из многоклеточных животных губки живут до 10—15 лет, кишечнополостные в ряде случаев до 70—80 лет (актинии), представители различных групп червей от 1—3 до нескольких десятков лет, пауки 4—5, иногда до 20 лет (самки тарантулов), ракообразные от нескольких недель (дафнии) до 50 лет (омары). Продолжительность жизни пластинчатожаберных моллюсков до 100 лет, однако многие виды моллюсков живут по нескольку месяцев или даже недель. Из позвоночных максимальная продолжительность жизни ряда рыб (осётр, щука, белуга) составляет 80-100 лет; мелкие рыбы — анчоусы, бычки и т.п. живут обычно не долее 1,5—2 лет, земноводные до 60—70 лет (гигантская саламандра), черепахи свыше 150 лет.

Считается, что наиболее высокой продолжительностью жизни отличается гигантская слоновая черепаха из Индийского океана. Она может жить 200-300 лет. Большим долголетием отличаются крокодилы (до 300 лет). Из крупных хищников дольше всех живут слоны: 60—80 (в неволе), медведи (50 лет), львы (30 лет), леопарды, рыси и барсы (15-20 лет). Среди птиц пальма первенства принадлежит лебедям (150-170 лет), на втором месте попугаи (120-140 лет).

Установить общую закономерность при определении возраста организмов нелегко. Человек и человекообразные обезьяны, например, в среднем живут 60-70 лет, гиббоны и капуцины 20-25 лет, шимпанзе до 39 лет, мартышки и макаки - 10-12 лет.

 

4.6. ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕЖДУ ПОПУЛЯЦИЯМИ

 

Организмы, составляющие природные популяции, не существуют отдельно друг от друга, а обычно находятся во многообразных сложных взаимоотношениях. Поэтому ученые-экологи редко изучают популяционную динамику только одного вида и всегда уделяют много внимания взаимодействиям популяций разных видов.

Разные экологи выделяют неодинаковое количество основных типов взаимодействий между популяциями. Так, в классической сводке Ю.Одума (1986) их девять, М.Бигон, Дж. Харпер и К.Таунсенд рассматривают пять основных типов взаимодействий, многие акцентируют внимание главным образом на конкурентных отношениях.

На наш взгляд, есть смысл привести более развернутую схему взаимодействий между популяциями двух видов.

1. Нейтрализм (от лат. нейтралис - не принадлежащий ни тому, ни другому) - ассоциация двух популяций не сказывается ни на одной из них. Полевой василек, растущий среди хлебных злаков и кислица, называемая в народе заячьей капустой, что растет под пологом тенистого елового леса. Между ними нет ни пространственных, ни пищевых, ни иных контактов. Они входят в различные растительные сообщества. Отношения между ними нейтральные. Такого рода взаимоотношения в природе встречаются часто. Примеров можно привести много. Это отношения между дождевым червем и комаром в лесу, городского воробья и деревенского аиста, зайца в лесу и дятла, живущего в дупле дерева.

2. Взаимное конкурентное подавление - обе популяции подавляют друг друга. В качестве примера можно рассмотреть взаимодействие двух видов клевера - ползучего (Trifolium repens) и земляничного (Trifolium fragiferum) в смешанных посевах (рис. Одум, т.1, с. 89 ). На начальных стадиях развития клевер ползучий раньше образует полог листьев и хорошо разрастается, но затем его затеняет клевер земляничный и препятствует росту первого. Таким образом, в смешанных травостоях каждый вид задерживает развитие другого, но оба они оказываются в состоянии завершить жизненный цикл и дать семена, хотя плотность каждого вида понижена. Примером взаимного конкурентного подавления могут служить также отношения между сорняками и культурными растениями, угнетающие обоих партнеров.

3. Конкуренция за общий ресурс - каждая популяция косвенно отрицательно воздействует на другую в борьбе за дефицитный ресурс. Это могут быть опосредованные отношения между видами в борьбе за добывание пищи (соперничество между волками, рысями и лисами в северных лесах, между гиенами и львами в саваннах) и т.п. В данном случае разные виды непосредственно не нападают друг на друга. На их состояние влияет фактор присутствия или отсутствия пищи.

4. Аменсализм (от греч. а - отрицание и лат. менса - стол, трапеза) - одна популяция подавляет другую, но сама не испытывает отрицательного влияния. Ель в процессе роста сильно затеняет почву и тем самым вытесняет светолюбивые виды, попавшие под ее полог. Изменяя среду, ель подавляет популяции светолюбивых травянистых растений. На рост же самой ели обратного воздействия не происходит.

5. Хищничество - одна популяция неблагоприятно воздействует на другую, нападая непосредственно на нее, но тем не менее сама зависит от объекта нападения. Хищниками могут быть различные организмы - от простейших до сложноорганизованных. Это львы и волки, пожирающие свою жертву, кровососущие мошки и насекомоядные птицы, это различные виды рыб, поедающие планктонных рачков дафний, и сами дафнии, питающиеся одноклеточными водорослями. Если хищник поедает растения, он называется растительноядным. При этом хищник не умервшляет жертву, а довольствуется лишь поеданием какой-либо ее части. Примером может служить колорадский жук, питающийся культурным картофелем. Всеядные хищники питаются как животной, так и растительной пищей.

6. Протокооперация (буквально первичное сотрудничество - от греч. протос - первый и лат. кооперацио - сотрудничество) - обе популяции получают от ассоциации выгоду, но эти отношения необязательны. В качестве примера протокооперации можно привести описание взаимоотношений между двумя видами, которые наблюдал Римский натуралист Плиний Старший. «Наевшись рыбки, с пастью, наполненной остатками пищи, он предается сну на самом берегу реки; тут небольшая птичка, называемая в Египте трохилусом, чтобы поживиться пищей, предлагает ему раскрыть пасть и очищает ее сперва снаружи, а затем зубы и ее глотку, которую крокодил растягивает не без удовольствия, насколько только возможно». Вот только иной раз бывает, что встреча крокодила со своей подругой не осуществляется.

Птица-носорог во влажном тропическом лесу Малайзии и фиговое дерево (инжир, смоковница) также связаны взаимоотношениями, относящимися к протокооперации. Питаясь плодами инжира, носорог способствует его расселению. Мелкие семена фигового дерева проходят непереваренными через пищевой тракт птицы. Семена вместе с пометом попадают в места со скоплением органики в развилках стеблей древесных пород и дают начало новым растениям. Длинные корни по мере роста инжира спускаются по стволу дерева, дотягиваются до земли, закрепляются там и питают смоковницу.

Еще один распространенный в природе случай протокооперации относится к совместному существованию буйволовых скворцов (волоклюи) и крупных животных (буйволы, носороги, жирафы, антилопы, зебры, крупный рогатый скот). Волоклюи приспособлены к питанию клещами и насекомыми-кровососами, от которых страдают животные. Острые когти и жесткий хвост, служащие опорой, позволяют волоклюям ловко лазать по телу животного в поисках добычи. Присосавшихся клещей птицы, склонив голову набок, срезают как ножницами сжатым с боков клювом. Таким образом, налицо взаимное выгодное сотрудничество организмов.

7. Симбиоз (от греч. - симбиозис - сожительство) - это тесная взаимосвязь между представителями разных видов, из которых по крайней мере один обойтись без другого не может.

Этот термин впервые предложил немецкий ботаник Генрих де Бари в 1873 г. Есть такой червячок — конволюта. В его теле живут фотосинтезирующие бактерии. Зачем червячку зеленые сожители? Оказывается, без них личинки конволюты погибают. Самостоятельно питаться этот червячок не может. Бактерии уделяют червяку часть своей первичной продукции фотосинтеза, и сами пользуются продуктами его обмена веществ. Это сожительство представляет собой великолепную систему взаимной пользы.

Классическим примером симбиоза являются лишайники. Они состоят из двух компонентов - гетеротрофного гриба (микобионта) и автотрофного организма (фикобионта) - цианобактерии, водоросли. Гриб доставляет фикобионту воду и неорганические вещества и защищает от высыхания, а также обеспечивает прикрепление к почве. От автотрофного компонента он в свою очередь получает углеводы, которые образуются в ходе фотосинтеза.

Интересный пример симбиоза - взаимосвязь муравьев-листорезов из рода Atta и определенного вида гриба в тропическом лесу. Грибы служат для муравьев пищей. Самих же муравьев можно считать одними из зачинателей земледелия. Взбираясь на деревья, они вырезают острыми челюстями кусочки лепестков и листьев. Такой груз превышает вес тела муравья в 50 раз! Груз перетаскивается в подземные жилища на глубину 4,5-6 метров.

Самое интересное, что муравьи не едят собранные листья, а, утащив их под землю, тщательно крошат, смешав со слюной и экскрементами. Полученная масса служит субстратом для особого гриба, конидиями (споры бесполого размножения некоторых групп грибов) которых они питаются и вскармливают свои личинки. Кроме всего прочего эти рачительные хозяева пропалывают свой «огород» и выделяют вещества, подавляющие рост бактерий. Таким образом, муравьи-листорезы развели настоящее земледельческое хозяйство. Они вносят удоброения, пропалывают огород и собирают урожай. Главное состоит в том, ни гриб, ни муравей самостоятельно друг от друга попросту бы не выжили. Интересно, что когда молодая самка покидает гнездо, чтобы образовать новую колонию, она обязательно прихватывает с собой кусочек грибницы и сразу же начинает обживание ногово места с закладки грибного огорода.

И в завершение рассказа об этой удивительной дружбе, добавим, что, оказывается, у рабочих особей листорезов есть свои телохранители. Маленькие рабочие муравьи забираются на кусочки листьев, которые тянут на себе более крупные собратья, и не слезают оттуда на всем протяжении маршрута.

Природные популяции, как правило, приспосабливаются к совместной жизни друг с другом, образуя более или менее взаимовыгодные формы совместного существования. При этом один из партнеров возлагает на другого задачу регулирования своих отношений с внешней средой. Симбиоз может развиваться на основе пищевых (питание неиспользованными остатками пищи) или пространственных (поселение на поверхности или внутри тела другого, использование нор, гнезд и т.д.) взаимоотношений.

По степени соединения партнеров и по их типовой зависимости друг от друга различают несколько типов симбиоза: паразитизм, комменсализм, мутуализм.

Паразитизм выгоден одному из партнеров (паразиту) и вреден другому (хозяину). Комменсализм полезен одному симбионту, но не отражается на другом. Мутуализм - это взаимовыгодное сосуществование.

Паразитизм (от греч. пара - возле и ситос - пища) - одна популяция использует другую в качестве среды обитания и источника пищи. Большое количество паразитов имеется среди животных (блохи, вши, клещи, различные виды тлей, бактерии, гельминты и др.), растений (петров крест, подъельник обыкновенный, гнездовка настоящая и др.), грибов (различные виды ржавчинных, головневых, мучнисторосяных грибов).

Комменсализм(от лат. ком - с, вместе и менса - стол, трапеза) - одна популяция извлекает пользу от объединения, а для другой это объединение безразлично. Таким образом, одиц вид (или популяция) извлекает пользу от сожительства, а другой вид (или популяция) ничего не выигрывает от этого, но и не страдает.

Часто под комменсализмом понимают такое сожительство, при котором один из партнеров питается остатками пищи или продуктами выделения другого, не причиняя ему вреда. Такую разновидность комменсализма, основанную на потреблении остатков пищи хозяев, называютнахлебничеством.

Таковы взаимодействия между различными видами почвенных бактерий-сапрофитов, перерабатывающих разные органические вещества из перегнивших растительных остатков, и высшими растениями, которые потребляют образовавшиеся при этом минеральные соли.

Для крупных организмов можно привести пример сожительства рыб-лоцманов и крупных хищных акул. С одной стороны рыбы-лоцманы находятся в относительной безопасности, а с другой, им перепадают остатки несъеденной акулами пищи. На акул присутствие этих рыб не оказывает никакого влияния.

Известный путешественник Тур Хейердал так описывает в своей книге "Экспедиция "Кон-Тики" акулью свиту. "Смотришь на гребень, а там, словно за стеклянной стеной, прямо на тебя не спеша идет акула, и лоцманы снуют у нее перед мордой... Это небольшая сигаровидная рыбка, полосатая, как зебра; лоцманы стаями вертятся перед носом акулы, образуя ее свиту. Свое название они получили потому, что их долго считали как бы проводниками плохо видящих акул. На самом деле лоцманы сами лишь слепо следуют за акулой и уходят вперед только тогда, когда в поле зрения появляется что-то съедобное."

Нередко можно встретить такую форму взаимоотношений между видами, как квартирантство. Под последним понимается сожительство организмов; когда один из видов поселяется в жилище другого или близ него. Такой тип взаимоотношений широко распространен у растений - примером могут служить лианы и эпифиты (орхидеи, лишайники, мхи), поселяющиеся непосредственно на стволах и ветвях деревьев. В гнездах ихорах грызунов обитает множество видов членистоногих, некоторые выбы прячутся под зонтиками медуз со стрекательными нитями. Рыба горчак откладывает икру в убежище - мантию двустворчатого моллюска, не принося ему вреда.

Иллюстрацией взаимоотношений видов-комменсалов может также служить поведение средиземноморского вида рыбы карапуса (Campus acus) в полости тела некоторых видов голотурий (морские беспозвоночные, относящиеся к типу иглокожих – Echinodermatа). Для карапуса полость голотурии - своего рода убежище, для голотурии же присутствие карапуса безразлично. Никакой выгоды она от такого сожительства не имеет.

Еще одни пример. Сапсан - вид сокола, обитающий в Сибири и Казахстане. Он имеет огромное значение для выживания представителей нескольких вымирающих видов - гуся, например, и краснозобой казарки, поскольку защищает их от прожорливых песцов. Слабенькие гуси не в состоянии самостоятельно отогнать этих хищников от своих гнезд, а посему и предпочитают гнездиться поближе к сапсанам. Соколам такое соседство безразлично. Гуси же от такого объединения получают явную выгоду.

Особенно часто комменсализм можно наблюдать в морской или океанической среде. Практически в каждой норке червя, в каждой раковине двустворчатого моллюска обитают «незваные гости», которые получают здесь укрытие, но не приносят хозяину ни пользы, ни вреда.

Мутуализм (от лат. мутуус - взаимный) - связь популяций благоприятна для роста и выживания обеих, причем в естественных условиях ни одна из них не может существовать без другой.

Классический пример мутуализма - сотрудничество между цветковыми растениями и опыляющими их насекомыми. Насекомое получает необходимый ему нектар, а взамен осуществляет столь необходимый для растения акт опыления. При отсутствии опылителей растения во многих случаях оказались бы на грани вымирания, а насекомые без растительной пищи погибли бы.

Преимущества при мутуалистических отношениях могут быть разные. В одних случаях это использование пищевого ресурса одним из партнеров и охрана от посягательств врагов - для другого. Иногда один из видов имеет выигрыш в пище, а другой освобождается при этом от вредителей. Мелкие крабы-отшельники имеют мягкое беззащитное тело, и поэтому в качестве убежищ используют пустые раковины. В узком конце такой раковины обычно селится мелкий кольчатый червь. Он использует объедки, оставленные после пиршества краба, а со своей стороны поддерживает чистоту в раковине. Часто на таких раковинах поселяются актинии, которые своими щупальцами отпугивают от крабов хищников, взамен получают возможность мигрировать на новые пищевые поля вместе с раковиной защищаемого ими краба.

Мутуалистическими отношениями является взаимосвязь между жвачными животными (олени, крупный рогатый скот, антилопы) и бактериями, обитающими в их рубце (один из четырех отделов желудка жвачных). Рубец населен многочисленными бактериями из родов Bacteroides, Ruminococcus, Clostridium, Vethanobacterium и др. Бактерии рубца приспособлены только к анаэробным (бескислородным) условиям, и многие виды под воздействием кислорода мгновенно гибнут. Основная пища жвачных - целлюлоза и другие растительные волокна. Однако сами животные лишены ферментов, которые способны разлагать растительный материал. Бактерии же выделяют целллюлозоразрушающие ферменты. Продукты микробной ферментации используются организмом-хозяином, а последний создает для бактерий непрерывный приток субстратов (растительная целлюлоза) и контролирует условия его сбраживания (нейтрализуя слюной излишнюю кислотность среды, где обитают бактерии).

Конечно, не все взаимоотношения между популяциями равноценны в экологическом отношении: одни из них встречаются реже, другие необязательны, третьи, такие, как конкуренция, являются главным механизмом возникновения экологического разнообразия.

 

4.7. КОНКУРЕНЦИЯ, ХИЩНИЧЕСТВО, ПАРАЗИТИЗМ. ОТНОШЕНИЯ ХИЩНИК-ЖЕРТВА, ПАРАЗИТ-ХОЗЯИН

 

… И даже улыбающейся флоры

Златая колесница – и она

Свой светлый путь свершает чрез раздоры:

И меж растений царствует война.

Деревья, травы вверх растут задорно,

За свет и воздух борются упорно,

А корни их, в земле неся свой труд,

За почву и за влажность спор ведут.

Эразм Дарвин

Конкуренция (от позднелат. concurentia, concurrere - сталкиваться) - такое взаимодействие, когда две популяции (или две особи) в борьбе за необходимые для жизни условия воздействуют друг на друга отрицательно, т.е. взаимно угнетают друг друга.

Конкуренция является главным механизмом возникновения биологического разнообразия. Взаимодействие такого типа приводит к снижению выживаемости конкурирующих особей. Следует отметить, что конкуренция может проявляться и тогда, когда какого-либо ресурса достаточно, но его доступность снижается из-за активного противодействия особей.

Организмы, которые потенциально могут использовать одни и те же ресурсы, называются конкурентами. Растения и животные конкурируют друг с другом не только за корм, но и за влагу, жизненное пространство, за убежища, гнездовья – за все, от чего может зависеть благополучие вида.

Если конкуренты принадлежат к одному виду, то взаимоотношения между ними называют внутривидовой конкуренцией. Конкуренция между особями одного вида является наиболее острой и жесткой в природе, поскольку они имеют одинаковые потребности в экологических факторах.

Следует отметить, что внутривидовая конкуренция на том или ином этапе существования вида встречается почти всегда. Поэтому в процессе эволюции у организмов выработались приспособления, снижающие ее интенсивность. Наиболее важные из них - способность к расселению потомков и охрана границ индивидуального участка (территориальность), когда животное защищает место своего гнездовья или известную площадь в его округе. Так, в период размножения птиц самец охраняет определенную территорию, на которую кроме своей самки не допускает ни одной особи своего вида. Такую же картину можно наблюдать и у некоторых рыб.

Если конкурирующие особи относятся к разным видам, то это межвидовая конкуренция. Объектом конкуренции может служить любой ресурс, запасы которого в данной среде недостаточны. Это может быть ограниченная территория распространения, пища, участок для гнезда, элементы питания для растений.

Результатом конкуренции может быть расширение области распространения одного вида за счет сокращения численности или исчезновения другого. Примером может служить активное расширение с конца XIX века своего ареала длиннопалым раком, который посепенно захватил весь Волжский бассейн и добрался до Беларуси и Прибалтики. Здесь он постепенно начал вытеснять родственный вид - рака широкопалого.

Конкуренция может носить достаточно острый характер, например, борьба за гнездовую территорию. Такой тип конкуренции носит название прямой конкуренции. В большинстве случаев такие конфликты происходят между особями одного вида. Однако, часто конкурентная борьба внешне протекает совсем бескровно. Например, на многих хищных животных, конкурирующих за пищу, другие хищники влияют не прямо, а опосредованно, через уменьшение пищи. То же происходит в мире растений, где при конкуренции одни из них влияют на других опосредованно через перехват питательных веществ, солнца или влаги. Этот тип конкуренции носит название косвенной конкуренции.

Конкуренция является одной из причин того, что два вида, слабо различающиеся спецификой питания, поведения, образа жизни и т.д., редко сожительствуют в однм сообществе. Исследования причин и следствий межвидовой конкуренции привели экологов к установлению особых закономерностей в функционировании отдельных популяций. Некоторые такие закономерности были возведены в ранг законов.

Исследуя рост и конкурентные взаимоотношения двух видов реснитчатых инфузорий, советский биолог Георгий Францевич Гаузе провел на них ряд экспериментов, результаты которых опубликовал в 1934 г. Инфузории двух видов Paramecium caudatum и Paramecium aurelia хорошо росли в монокультуре. Пищей им служили бактериальные или дрожжевые клетки, растущие на регулярно добавляемой овсяной муке. Когда Гаузе помещал оба вида в один сосуд, каждый вид сначала быстро увеличивал свою численность, но со временем P. aurelia начинала расти за счет Р. caudatum, пока второй вид полностью не исчезал из культуры (рис.....). Этот период исчезновения одного из видов инфузорий длился около 20 дней.

Таким образом, Г.Гаузе сформулировал закон конкурентного
исключения
(принцип конкурентного исключения), который гласит: два вида
не могут существовать в одном местообитании (в одной и той же
местности), если их экологические потребности идентичны.
Поэтому
любые два вида с идентичными экологическими потребностями обычно
бывают разобщены в пространстве или во времени: они живут в разных
биотопах, в разных ярусах леса, обитают на разных глубинах в одном
водоеме и т.д.

В качестве примера конкурентного исключения можно привести изменение численности плотвы, красноперки и окуня при их совместном проживании в озерах. Плотва с течением времени вытесняет красноперку и окуня. Исследования показали, что конкуренция сказывается на стадии мальков, когда кормовые спектры молоди перекрываются. В это время мальки плотвы оказываются более конкурентоспособными.

В природе часто конкурирующие за пищу или пространство виды избегают или снижают конкуренцию переселением в другое местообитание с приемлемыми для себя условиями либо переходом на более труднодоступную или трудноусваиваемую пищу, либо сменой времени или места добычи корма. Происходит деление животных на дневные и ночные (ястребы и совы, ласточки и летучие мыши, кузнечики и сверчки, различные виды рыб, проявляющие активность в разное время суток); львы охотятся на более крупных животных, а леопарды - на более мелких; для тропических лесов характерна сложившееся распределение животных и птиц по ярусам.

Примером разделения жизненного пространства может служить раздел сфер питания между двумя видами бакланов - большого и длинноносого. Они обитают в одних и тех же водах и гнездятся на одних и тех же обрывах.

Наблюдения показали, что длинноносый баклан ловит рыбу, плавающую в верхних слоях воды, тогда как большой баклан добывает пищу в основном у дна, где ловит камбал и донных беспозвоночных.

Пространственное разделение можно наблюдать и среди растений. Произрастая совместно в одном местообитании, они простирают свои корневые системы на разную глубину, тем самым разделяя области поглощения питательных элементов и воды. Глубина проникновения может быть от нескольких миллиметров (у корнеподстилочных растений, таких как кислица) до десятков метров у крупных деревьев.

Важным видом взаимоотношений между организмами в природе являются отношения типа хищник-жертва - взаимосвязь между хищником и жертвой, в результате которой эволюционно выигрывают оба: популяция хищника обеспечивается пищей, популяция жертвы оздоровляется хищником.

Потенциально каждый живой организм является источником энергии, т.е. пищей для других организмов. Именно такие пищевые взаимодействия лежат в основе переноса энергии и вещества в экосистемах.

Хищником считается всякий организм, потребляющий в качестве пищи другой живой организм. Если одно животное (реже растение) ловит, убивает и поедает другое животное, мы имеем дело с хищничеством. Таким образом, для установление факта хищничества необходимо наличие умервщления одним организмом другого с целью использования его в виде пищи.

Диапазон отношений типа хищник-жертва довольно широк. Видимо, эти отношения существуют в природе настолько долго, насколько долго существует сама жизнь. Эволюцию хищника нельзя оторвать от эволюции жертвы и наоборот. Соучастники этих взаимоотношений не могут отстать в эволюции один от другого, потому что это чревато вымиранием как хищника, так и жертвы. Хищники, эволюционируя, вырабатывали множественные уловки, чтобы воздействовать на жертву - это острые зубы и клыки, быстрые ноги, маскирующая окраска, острые втягивающиеся когти, стрекательные клетки, ядовитые железы. Одни хищники вынуждены быстро бегать, другие достигают своей цели, охотясь стаями, третьи отлавливают преимущественно больных, раненых и неполноценных особей. Жертва, в свою очередь, не оставалась в долгу и развивала специфические средства защиты - выросты тела, шипы, колючки, панцири, защитная окраска, способность быстро прятаться, зарываться в грунт, строить убежища.

Все эти ухищрения необходимы и тому, и другому для поддержания процесса прогрессивной эволюции. Разнообразие приемов нападения у хищников и средств защиты у жертв приводит к тому, что добывание пищи и бегство от хищников представляют собой два основных вида активности организмов, приводящих к формированию их особых признаков, которые в перспективе естественный отбор закрепляет как положительные реакции вида.

В целом эволюция жертвы протекает в направлении трудноуловимости и трудноусвояемости для хищников. Хищники же эволюционируют в сторону повышения эффективности охоты и усвояемости своей жертвы.

Хищники - важное звено в пищевой цепи экосистемы. Наличие их способствует направлению естественного отбора травоядных животных, обеспечивает раннее развитие копытных (некоторые виды антилоп уже спустя 5 мин после рождения вполне самостоятельно передвигаются). В первую очередь хищники уничтожают слабых и больных животных, что особенно важно для малочисленных популяций, находящихся на грани выживания. Человек оказывает регулярное воздействие на хищников путем прямого отстрела и опосредованно. Например, путем выжигания саванн уменьшается численность антилоп, что, в свою очередь, вызывает уменьшение числа хищников.

Существует несколько классификаций хищников. Наиболее проста таксономическая классификация - деление на настоящих хищников (поедают животных) и растительноядных (питаются только растениями). Кроме того, среди всеядных можно различать хищников, питающихся животными ослабленными, больными и старыми, но оставляющими в неприкосновенности особи, способные к размножению. Такие действия хищников идут на пользу популяции, которая в результате выбраковки неполноценных особей избавляется от балласта. В то же время существуют хищники, питающиеся особями всех возрастных групп без разбора. Такой тип хищничества нарушает потенциал роста популяции жертвы и может повредить ей.

Можно привести следующую функциональную классификацию хищников:

■ истинные хищники, убивающие свою жертву сразу после нападения на нее и в большинстве случаев поедающие жертву целиком. Это львы, орлы, божьи коровки, киты и многие другие;

■ хищники с пастбищным типом питания. Это крупные травоядные млекопитающие - зебры, антилопы, козы, овцы, крупный рогатый скот. Как правило они используют только часть своей жертвы;

■ паразиты - хищники, также поедающие только часть жертвы, но нападающие в течение жизни только на одну особь или на очень малое их количество. Это различные ленточные черви, вирусы, ржавчинные грибы, тли;

■ паразитоиды - организмы, которые ведут паразитический образ жизни в личиночном состоянии, например, некоторые насекомые, откладывающие яйца либо в тело других насекомых (на ранних стадиях развития последних), либо на его поверхность.

Таким образом, паразитоиды паразитируют только в неполовозрелом состоянии, причем пораженный ими организм продолжает жить, пока не закончится развитие их личинок. Личинки паразитоидов, вылупившиеся из яиц, развиваются внутри или на теле хозяина, который обычно не достиг взрослого состояния. Паразитоид вызывает неизбежную гибель хозяина, так как по мере своего развития личинка паразитоида съедает его целиком. У паразита имеется какое-то «совестливое сочувствие» по отношению к хозяину. В любом случае он вынужден идти на компромисс, чтобы сохранить жизнь своему хозяину, а значит, и себе, и в перспективе - потомству. Поэтому непрерывно вредить своему хозяину для паразита невыгодно. Паразитоиды же начисто лишены даже зачаточного чувства «совести». Бигон, Харпер и Таунсенд (1989) отмечают, что к паразитоидам относится около 25% всех обитающих на земле видов.

Исследуя динамику популяций хищника и жертвы, экологи установили,
что в природе колебания их численностей в некоторых случаях можно
представить в виде взаимосвязанных циклов. Классический пример -
колебание численности американского зайца-беляка в бореальных лесах
Канады, которое соответствует колебанию численности ряда хищников,
таких как рысь. Раз в 9-10 лет наблюдается подъем и спад численности зайца
и соответственно рыси. Когда численность популяции зайца достигает
максимума, также увеличивается вследствие изобилия добычи численность
популяции рыси. Как только численность зайца падает из-за
перенаселенности, болезней, либо недостатка корма, гибнет от голода и рысь.
Затем при избытке пищи и малом количестве хищников зайцы снова
начинают размножаться. Таким образом, периодические колебания
численности зайца-беляка вызывают Похожие изменения численности рыси.
(Рис......)

Одним из важных типов взаимоотношений между популяциями в природе являются отношения типа паразит-хозяин - форма взаимоотношений между видами, которые носят антагонистический характер. Вид-паразит обычно использует другой вид (хозяин) в качестве среды обитани и источника пищи.

Паразитизм известен на всех уровнях организации живого, начиная вирусами и кончая высшими растениями и многоклеточными животными. Можно сказать, что паразитизм - явление всеобщее и довольно распространенное. Почти все живые существа могут подвергаться нападению паразитов. Паразитофауна обыкновенного крота, к примеру, очень богата. Она насчитывает 8 видов сосальщиков, 2 вида ленточных червей, 18 видов нематод, более 20 видов блох и более 30 видов клещей. Обыкновенная белка является хозяином 50 видов эндопаразитов, из которых 4 вида кокцидий, 2 вида сосальщиков, 15 видов ленточных червей, 26 видов нематод и 3 вида скребней.

Организмы, которые не поражены какими-либо паразитами - являются большой редкостью. Даже человек является средой обитания для многих паразитов. Паразиты представлены во всех группах растений и животных, однако чем ниже на эволюционной лестнице находится данная группа, тем больше она включает видов-паразитов. К примеру, плоские черви, нематоды и некоторые членистоногие почти целиком состоят из паразитических форм.

Паразиты, питающиеся телом хозяина и обитающие на его поверхности, носят название эктопаразитов. Это блохи, вши, клещи, различные виды тлей. Паразиты, живущие во внутренних тканях, полостях и клетках хозяина, носят название экзопаразитов. Это различные вирусы, бактерии, гельминты и др.

Пути проникновения паразита в организм хозяина многообразны. Они могут попадать в пищеварительный тракт с пищей, могут активно внедряться через кожный покров, передаваться при посредстве переносчиков и т.п. Например, возбудитель тропической малярии Plasmodium falciparum вызывает тяжелую форму заболевания, при которой нередко развиваются церебральные нарушения. Переносчиком ее является самка комара из рода Anopheles. При множественных укусах этих комаров малярийный паразит проходит тканевый и эритроцитарный циклы развития. С первым связаны сильные боли в области печени, когда плазмодий внедряется в ее клетки. Здесь он недоступен для антималярийных препаратов. После разрушения клеток печени паразит попадает в эритроциты. Эритроцитарный цикл обусловливает возникновение приступов малярии (температура до 42,6°С, озноб). Малярия является довольно распространенной болезнью, особенно в Африке, где от нее ежегодно погибает свыше 1 млн. детей в возрасте до 14 лет.

Все паразиты для обеспечения выживания своего вида должны переходить от хозяина к хозяину. Одни паразиты выработали довольно простой цикл воспроизведения. К примеру, многим бактериям, которые являются причиной таких болезней, как скарлатина, пневмония, дифтерия, достаточно попасть на поверхность тела хозяина или на некоторые его железы внешней секреции. Другие паразиты выработали довольно сложные циклы развития. К примеру, в кишечнике лисицы обитает ленточный червь, откладывающий там крошечные яйца. Вместе с экскрементами животного яйца попадают на землю или траву. Чтобы снова попасть в кишечник лисицы, на помощь паразиту приходят промежуточные хозяева. Зайцы, поедая траву, захватывает яйца червя. В его организме они превращаются в личинке и затаиваются там до поры до времени в виде цисты - покоящейся стадии. Теперь все зависит от сноровки и прыткости лисицы, которая охотится за зайцем. Если ей удастся поймать его, цисты в ее кишечнике превратятся во взрослого червя и жизненный цикл паразита начнется сначала.

Взаимоотношения между человеком и различного рода паразитами установились с незапамятных времен. Ко многим паразитам человеческий организм приобрел невосприимчивость, но к некоторым, таким, как переносчики туберкулеза, сифилиса, гриппа, еще не найдено эффективного противоядия. Следуя поговорке, что болезнь легче предупредить, чем лечить, человек наконец-то понял, что истинная причина большинства болезней - это нарушение экологической среды.

Большинство болезней человека сегодня - это болезни цивилизации. Они проникали и проникают в самые отдаленные уголки земного шара вместе с развитием цивилизации. Особенно опасны новые болезни для сравнительно небольших замкнутых экосистем островов. Туземцы многих плотно заселенных островов Тихого океана до появления европейцев были необыкновенно здоровыми, так как у них выработался стойкий иммунитет к местным заболеваниям. Однако они оказались совершенно беззащитными против болезней, принесенных на их острова белыми. То же касается и различных групп туземцев, обитающих в тропических лесах Африки и Южной Америки. Полукочевые племена охотников и собирателей обычно мало подвержены таким местным болезням как малярия. А вот обыкновенные грипп, корь, свинка, краснуха являются причиной повышенной смертности, поскольку у аборигенов нет против них врожденной сопротивляемости. Туземцы уединенного острова Пасхи страдают от вспышек гриппа, возникающего регулярно через 1-2 месяца после посещения острова чилийским инспекционным судном.

Среди растений и грибов также известно много паразитических видов. Одни растения-паразиты содержат хлорофилл и могут вырабатывать органические вещества, т.е. являются, собственно говоря, полупаразитами. Это паразитирующая на березах, осинах, ивах, дубах, соснах омела (Viscum album), которую часто можно встретить в белорусских лесах. Фотосинтез она осуществляет сама, а воду и минеральные соли добывает из ветвей растений, на которых живет, пуская вглубь древесных тканей особые присоски. К полупаразитам относится также луговое растение погремок (Rhinanthus alectrolophus). Под землей его корни паразитируют на корнях других растений. Иногда он настолько спешит, что присасывается к корням своих собратьев - таких же погремков. Обычно же погремок паразитирует на корнях других растений. Чаще всего это злаки, но могут быть и другие зеленые растения.

Из типичных растительных паразитов можно указать растения, обитающие в наших лесах: петров крест, подъельник обыкновенный, гнездовка настоящая, различные виды повилик и другие растения.

Много внутриклеточных паразитов среди низших грибов - это многочисленные виды ржавчинных, головневых, мучнисторосяных грибов.

 

4.8. ГОМЕОСТАЗ ПОПУЛЯЦИЙ. РЕГУЛЯЦИЯ

ЧИСЛЕННОСТИ ПОПУЛЯЦИЙ.

Способность популяции поддерживать динамическое равновесие со
средой, в частности, определенную численность особей, называется
гомеостазом популяции (от греч. гомеас — подобный, одинаковый, остас —
состояние). Понятие гомеостаза является одним из важнейших в экологии.
По отношению к любой природной системе (популяция, биоценеоз,
экосистема) гомеостаз определяется как состояние ее внутреннего
функционального равновесия, поддерживаемое постоянным
саморегулированием компонентов. Гомеостаз является характерным и
необходимым для всех природных систем - от атома и организма до
космических образований.

Функции гомеостаза свойственны популяциям всех групп живых организмов, однако наиболее полно они изучены у животных. При всем многообразии механизмов популяционного гомеостаза их можно сгруппировать в три функциональные категории (Шилов, 1997):

■ поддержание пространственной структуры;

■ поддержание генетической структуры;

■ регуляция численности и плотности населения.

Механизмы поддержания пространственной структуры разнообразны. Наиболее важные из них следующие.

Территориальная агрессия - наиболее прямая форма территориальных взаимоотношений. Она в той или иной форме свойственная всем видам. Животные, кормящиеся на своем участке проявляют агрессию при защите его от соседей (даже визуально знакомых). Птицы активно защищают территорию своего гнездования, грызуны охраняют друг от друга места своего пропитания, хищники заботятся об охране своих охотничьих участков и т.п.

Маркирование территории - относительно «мягкий» механизм гомеостаза, не связанный с агрессией. У птиц она выражается в акустической маркировке участков. Некоторые обитатели водной среды также прибегают к звуковым сигнализациям. Так, голубые киты при общении друг с другом издают низкочастотные импульсы порядка 188 децибел, что позволяет считать эти звуки самыми громкими звуками, которые способны издавать животные. Их можно услышать на расстоянии 860 километров.

У рыб нередко окраска тела говорит чужаку о занятости территории. Разнообразны механизмы маркировки территории у млекопитающих. Многие животные для мечения участков используют запах мочи и экскрементов. Но наибольшее значение имеют выделения особых желез. Например, анальные гланды африканской гориллы, считающейся самым вонючим животным, могут выделять отвратительно пахнущую жидкость, запах которой можно почувствовать на территории радиусом более полутора километров. Похожие железы имеют многие виды полевок, песчанок и другие виды мышевидных грызунов.

Нередко в качестве меток используются визуально различимые знаки. Например, следы когтей бурого медведя на стволах деревьев, либо остатки шерсти, которым многие представители семейства волчьих метят свою территорию.

Генетическая структура популяции поддерживается степенью индивидуальной изменчивости особей. Чем генетически более разнородна популяция, тем выше ее экологическая пластичность. Считается, что поддержание стабильной генетической структуры обеспечивается случайным характером скрещивания, хотя во многих группах высших животных доминирующие (преобладающие) особи имеют преимущества в спаривании. Например, на лежбищах морских слонов (как и у многих других ластоногих) секачи-доминанты составляют всего 4% от всех самцов, но принимают участие в 85% спариваний и оплодотворяют до 85% самок.

Численность любой популяции определяется ее способностью к размножению. Потенциально многие виды способны очень сильно увеличивать свою численность. Самки некоторых рыб мечут тысячи или даже миллионы икринок каждый год. Крысы и мыши 4 раза в год приносят приплод примерно с 5 детенышами в одном помете.

Однако наблюдения показывают, что численность большинства видов постоянна, следовательно, между рождаемостью и смертностью существует относительное равновесия. Такую согласованность рождаемости и смертности в популяции называют регуляцией численности популяции.

Рождаемость живых организмов определяется несколькими основными характеристиками. Одна из них - соотношение выжившего потомства, вылупившегося или родившегося, к числу самок в конце периода размножения. Например, самки калифорнийских кондоров откладывают только 1 или 2 яйца. Это делает данный вид более уязвимым к вымиранию, нежели такие виды, как утки и куропатки, которые откладывают и высиживают от 8 до 15 яиц одновременно.

Рождаемость видов также зависит от того, сколько раз в году самки проходят через полный цикл размножения и от продолжительности беременности. Луговая полевка с периодом беременности всего лишь 21 день может производить большое количество детенышей за короткий период. Африканский слон имеет период беременности почти 2 года и не рожает более до тех пор, пока его детеныш не станет достаточно взрослым. Таким образом, у слонов рождается всего 1 детеныш как минимум каждые 2,5 года.

Природа не терпит расточительства, и потому детенышей не должно быть больше, чем родители могут выкормить. Именно поэтому птицы одних и тех же видов, поселившиеся высоко в горах, в отличие от своих собратьев в теплых и богатых кормом долинах обычно откладывают меньше яиц.

При высокой скученности особей в популяциях регулирующим механизмом численности могут являться стрессовые явления. Явление стресса было впервые описано для человека в 1936 г. Гансом Селье - канадским биологом и физиологом. Согласно Селье стресс - это совокупность физиологических реакций организма в ответ на воздействие различных неблагоприятных (реже благоприятных, например, радость, половое возбуждение) факторов. Стресс может быть вызван как серьезной опасностью, так и творческой удачей. Общеизвестны стрессовые явления при потере члена семьи, разводе, неудачи на профессиональном поприще и т.д. О стрессовых реакциях говорят как в случае поведения высших животных, так и низших (реакция на загрязнение среды у амебы), а также растений (стрессовая реакция на засуху).

Стрессовые явления наиболее характерны для млекопитающих. Стресс-реакция является механизмом, регулирующим рождаемость. При стрессах обычно у части особей снижается рождаемость и увеличивается смертность. Более сильные (доминантные) особи в меньшей степени подвержены стрессу и его последствиям. При ослаблении или прекращении стрессовых явлений организмы обычно восстанавливают функции жизнедеятельности и репродукционного процесса.

Обычно численность особей в популяции ограничивается каким-либо ресурсом. Одним из основных лимитирующих факторов является пища. Иногда природа поступает очень жестоко по отношению к своим отпрыскам. Одним из примеров такой жестокости служит жизненный цикл полярной совы. Она обычно откладывает 5-6 яиц с большими временными интервалами. Птенцы появляются на свет, соблюдая очередность. Старший птенец уже крепко стоит на ногах, а младший его брат еще в яйце. На первый взгляд, странное положение вещей. Однако для суровых условий Севера это один из способов популяции поддерживать свою численность. Как известно, полярная погода неустойчива и ненастье может обрушиться внезапно. Для взрослых особей это неудобство легко преодолимо. Они могут перенести несколько дней без пищи, а вот для птенчиков непогода может обернуться гибелью. Поэтому старший совенок, чтобы выжить, вынужден съесть своего младшего ослабевшего собрата. Законы выживания суровы.

В начале 60-х годов XX века экологами была выдвинута концепция саморегуляции популяций. Согласно этой концепции в процессе роста плотности популяции изменяется не только и не столько качество среды, в которой существует данная популяция, сколько качество самих составляющих ее особей. Это выражается в снижении плодовитости, удлинении сроков полового созревания, возрастания смертности и миграционной активности (перемещение организмов за участок своего индивидуального обитания). Одним из авторов данной концепции был английский эколог Д.Читти (1960). Он подчеркивал, что в принципе каждая популяция способна регулировать свою численность так, чтобы не подрывались жизненные ресурсы местообитания и не требовалось вмешательства каких-либо внешних факторов.

Существуют две теории, объясняющие регуляцию численности.

1. Смертность в популяции обусловлена только воздействием физических (погода, пожар, загрязнение) или биологических факторов (хищники) и затрагивает одну и ту же долю особей в популяции независимо от ее численности. Такие факторы, действие которых не зависит от численности популяции, называются факторами, не зависящими от плотности. В данном случае график роста популяции описывается отмеченной выше экспоненциальной кривой.

2. Смертность особей в популяции всегда зависит от численности последней. При этом чем больше численность, тем выше риск гибели. В этом

случае на популяцию влияют факторы, зависящие от плотности. При высокой численности популяции начинает ощущаться недостаток ресурсов, ограничивается доступность пищи, возрастает численность врагов, заполняются все доступные места для гнездования и т.д. График роста популяции описывается логистической кривой.

При независимом от плотности типе изменения численности обусловливаются в основном абиотическими факторами (погодные явления, наличие пищи, различного рода катастрофы и т.п.). Эти факторы могут обеспечивать условия как для неограниченного, хотя и кратковременного, роста популяций, так и для снижения их численности до нулевой. Группы этих факторов обычно называют модифицирующими (от лат. модификацио - изменение).

Зависимая от плотности динамика популяций обеспечиваетеся биотическими факторами. Их называют регулирующими. Они "работают" по принципу обратной отрицательной связи: чем значительнее численность, тем сильнее срабатывают механизмы, обусловливающие ее снижение, и наоборот - при низкой численности сила этих механизмов ослабевает и создаются условия для более полной реализации биотического потенциала. Факторы такого типа обеспечивают поддержание численности в определенных границах значений.

К числу регулирующих факторов относится, в частности, взаимоотношение организмов типа хищник - жертва. Высокая численность жертвы создает условия (пищевые) для размножения хищника. Последний, в свою очередь, увеличив численность, снижает количество жертвы. Численность обоих видов в результате этого носит синхронно-колебательный характер. Регулирующие факторы, в отличие от модифицирующих, никогда не доводят численность популяций до нулевых значений вследствие того, что сила их действия уменьшается по мере уменьшения численности популяций.

Данные точки зрения не являются крайними, и ни одну, ни другую из них нельзя принять целиком или отвергнуть. Задача исследователя заключается в том, чтобы выяснить, способны ли виды регулировать свою рождаемость, а если да, то при помощи какого механизма и при каких условиях. У одних видов наблюдается относительно постоянная численность, плотность других видов подвержена нерегулярным либо циклическим, как у зайца-беляка, колебаниям.

4.9. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ПОПУЛЯЦИОННОЙ ЭКОЛОГИИ

Современная экология придает изучению популяций особое значение. Исследовать вид в динамике, показать его структурно-функциональные особенности можно лишь детально изучив особенности жизнедеятельности составляющих его отдельных особей. Такой популяционный подход решает вопросы, связанные с выявлением факторов, влияющих на распространение, обилие, рост численности отдельных популяций.

Так как любая популяция вида организмов в природе вступает в разнообразную сеть взаимосвязей, взаимодействий, экологу особенно важно знать специфику этих взаимодействий, важнейшими из которых являются конкуренция, хищничество, паразитизм, комменсализм и мутуализм. Следствием всех этих взаимодействий между популяциями и отдельными видами является возникновение и поддержание биологического разнообразия

в природных биосистемах, которое является основой эволюции различных форм живого вещества на нашей планете.

Для современных работ в области популяционной экологии характерно стремление не только описать то или иное явление, но и дать ему удовлетворяющее эколога объяснение. Во многих случаях от экологов требуют также и поиска путей разрешения того или иного "экологического инцидента". В результате приобретаются (или уточняются) знания о жизнедеятельности и экологии того или иного вида.

В экологии достаточно классических примеров, когда вспышки численности вида приводили к возникновению "экологических взрывов". Один из виднейших зоологов Чарлз С. Элтон, профессор Оксфордского университета, изучая расселение и "нашествия" живых существ, писал: "Экологические взрывы отличаются от некоторых других тем, что они не производят столь сильного шума и протекают не так быстро. Иными словами, они могут медленно развиваться и так же медленно затухать; но иногда их последствия оказываются весьма внушительными и вызывают разорение, гибель или вынужденную эмиграцию множества людей".

Классическим примером тому является интродукция кроликов в Австралию. В 1859 году в Австралию из Англии для спортивной охоты завезли кроликов. При-родные условия оказались для них благоприятными, а местные хищники - динго - не опасными, так как бегали недостаточно быстро. В результате кролики расплодились настолько, что на обширных территориях уничтожили растительность пастбищ. Фермеры, разводившие австралийских овец, забили тревогу. Выражение «кролики съели Австралию» оказалось не так уж и лишенным смысла. В некоторых случаях введение в природное сообщество естественного врага заносного вредителя приносило успех в борьбе с последним, но здесь не все так просто, как кажется на первый взгляд. Завезенный враг совершенно необязательно сосредоточится на истреблении своей привычной добычи. Например, лисы, интродуцированные в Австралию для уничтожения кроликов, нашли в изобилии более легкую добычу - местных сумчатых, не доставляя запланированной жертве особых хлопот.

Для истреблении непрошенных гостей в Австралии предложили заразить их возбудителем инфекционного вирусного заболевания, поражающего только кроликов и очень опасного для них – миксоматоза. В 1950 году несколько групп кроликов были заражены этой болезнью и выпущены в различных областях Австралии. К июню 1951 года площадь очага эпизоотии (распространение заболевания среди большого числа животных) составила 2.5 млн. км2. Кролики погибали в огромных количествах. И хотя истребить до конца их не удалось, их численность резко упала и никогда уже не достигала прежнего, угрожающе высолкого уровня. Дающие прекрасную шерсть австралийские овцы, снова получили возможность наслаждаться сочной зеленой травой.

Сопутствующая история внедрения чужеродного вида в экосистему со свободными экологическими нишами - нашествие кактуса из рода опунция (Opuntiа) на Австралийский континент.

Эти кактусы были ввезены в Австралию в начале века для использования в качестве живых изгородей (в том числе и для защиты от надоевших кроликов). Однако при отсутствии сильных конкурентов опунция быстро распространилась по всему материку, превратившись в сорняк и заняв тысячи гектаров ценных луговых и пастбищных угодий. После нескольких неудачных попыток искоренения опунции для борьбы с ней завезли из Южной Америки бабочку кактусовую огневку (Cactoblastis cactorum). Ее гусеницы кормятся на растущих побегах опунции и быстро уничтожают растение, буквально пресекая ее развитие в самом зародыше. Это насекомое оказалось таким эффективным средством борьбы, что уже через несколько лет о вреде, наносимом опунцией, вспоминали как о чем-то давно прошедшем.

Для борьбы с опунцией экологи вынуждены были изучить биологию, экологию, способ размножения не только растения-вредителя, но и могущего оказать помощь насекомого. Экологической катастрофы удалось избежать, вспышка чужестранца была подавлена. Однако опасность таких катастроф в современном мире реально существует.

А вот и совсем свежий пример. Мы уже упоминали печальные последствия для природы Австралии распространения там водяного папоротника сальвинии. Сходная картина, но уже с другим видом этого рода, наблюдается в настоящее время в Юго-Восточной Азии. В начале 1997 г. ботаники острова Тайвань забили тревогу. Они утверждают, что острову угрожает биологическая катастрофа. Обнаружен вторженец за стеклами домашнего аквариума. Это невинная на вид, неприхотливая и очень декоративная сальвиния молеста (Salvinia molestа) - мелкий плавающий водный папоротник. Сальвинию молесту, что в переводе с латыни означает "немного раздражающая", привезли из Шри-Ланки, и она быстро приобрела популярность. Попадая с водой из аквариумов в канализацию, а затем в водоемы, сальвиния в отсутствие серьезных врагов в короткое время способна превратить чистую воду в зеленое месиво, забивая водосточные каналы и очистные сооружения. Сейчас, когда ученые разоблачили ее убийственные свойства, тайваньцы с ужасом смотрят на этот фантастический организм. Водоросль обладает способностью размножаться с сумасшедшей скоростью, лишая флору и фауну кислорода. Мало того, в водорослях живут очень вредные червячки-паразиты. Попадая вместе с питьевой водой в организм, они вызывают заболевания печени, почек и других органов. Таким образом, перед экологами стоит новая задача. Предстоят серьезные исследования, чтобы решить разгадку проблемы столь массового развития популяции этого маленького зеленого вредителя.

Такими и подобными вопросами занимается популяционная экология. Ее значение для будущего человечества трудно переоценить. Хотя экологи-популяционисты начинали с исследований популяций различных вредителей с целью разработки мер защиты от них, направленность их работ не исчерпывается этим направлением. Популяционная экология призвана разрабатывать научные основы сохранения видов растений и животных, которым угрожает исчезновение, для чего необходимы тщательные детальные исследования их популяций в естественной среде.

Одна из задач популяционной экологии - поиск путей предотвращения полного вымирания промысловых животных при их хозяйственном использовании, например, среди китообразных и многих видов рыб. Для эколога-популяциониста основным объектом исследования становится популяция животного или растения в естественных природных условиях, а задача, которую он решает, - получение необходимых сведений о состоянии той или иной популяции. Решение подобной задачи возможно лишь при детальном изучении таких популяционных параметров, как пространственные изменения популяции (изучение миграционных процессов) и изменения во времени (динамика числа особей данного вида).

 

ГЛАВА 5. БИОЦЕНОЗЫ

Дерево – это целый мир! В стволе его дырки, продолбленные дятлами, и в каждой дырке кто-нибудь живет и трюкает: то жук какой, то птичка, то ящерка. В травке и сплетении корней позапрятаны гнезда. Мышиные и сусликовые норки уходят под дерево. Муравейник привален к стволу…

Виктор Астафьев

 

Экология, еще не имея статуса самостоятельной науки, создавалась и развивалась многими выдающимися натуралистами прошлых столетий. Постепенно, биологи, изучавшие отдельные объекты живой природы пришли к выводу, что цельные результаты, адекватно отражающие законы природного окружения, можно получить только лишь при рассмотрении природных явлений и населяющих природную среду организмов как целостный объект, как природное целое. Зародилась идея наличия в природе закономерных комплексов, в которых живые организмы связаны большим количеством разнообразных связей.

Впервые на возможность выделения таких комплексов обратил внимание немецкий биолог Карл Август Мёбиус. Изучая комплексы сплошных многослойных поселений устриц, которые образуют так называемые устричные банки, Мёбиус назвал биоценозами комплекс живых организмов, постоянно встречающихся вместе в различных пунктах одного и того же водного бассейна при наличии одинаковых условий существования. В 1877 году Мёбиус впервые ввел в научную литературу термин биоценоз (Biocoenosis - от греч. "биос" - жизнь и "ценозис" - общий).

"Каждая устричная банка, - писал в своем труде Мёбиус, - является сообществом живых существ, собранием видов и скоплением особей, которые находят здесь все необходимое для их роста и существования, то есть соответствующий грунт, достаточно пищи, надлежащую соленость и благоприятную для их развития температуру... Наука, однако, не имеет слова, которым такое сообщество живых существ могло бы быть обозначено; нет слова для обозначения сообщества, в котором сумма видов и особей, постоянно ограничиваемая и подвергающаяся отбору под влиянием внешних условий жизни, благодаря размножению непрерывно владеет некоторой определенной территорией. Я предлагаю для такого сообщества слово «биоценозис».

 

5.1. ПОНЯТИЕ И СУЩНОСТЬ БИОЦЕНОЗА

 

В современной экологической литературе термин биоценоз (biocoenosis) обычно применяется как синоним термина сообщество (community). Как и при установлении сущности понятия популяция, при определении сообщества существует также определенная путаница. Многие биологи довольно по-разному трактуют суть биоценоза. Одни под этим термином понимают группу встречающихся совместно популяций. Другие под биоценозом понимают пространственно ограниченные совокупности (ассоциации) растений и животных с доминированием (преобладанием) какого-либо одного вида: сообщества птиц, насекомых, луговых растений, еловое сообщество, осоковое сообщество и т.п.

В настоящее время одним из удачных определений биоценоза служит определение американского эколога Роберта Хардинга Уиттекера, которое он привел в своем фундаментальном труде "Сообщества и экосистемы". Биоценоз - это сочетание популяций растений, животных и микроорганизмов, взаимодействующих друг с другом в пределах данной среды и образующих тем самым особую живую систему со своими собственными составом, структурой, взаимоотношениями со средой, развитием и функциями.

Следует отметить, что биоценозы, как и все биологические системы - системы открытые, и в природе переходят одно в другое вдоль тех или иных градиентов среды, а не занимают четко ограниченные зоны. Нередко различные биоценозы настолько сливаются, переходят друг в друга, что при отсутствии четких границ между средами обитания, иногда невозможно определить где кончается одно и начинается другой биоценоз. Поэтому установить границы биоценоза порой бывает нелегко. Иногда экологи ограничиваются при выделении сообщества просто произвольным набором видов.

В состав биоценоза входят совокупность растений на определенной территории – фитоценоз (от греч. “phyton” – растение), животные, проживающие в пределах фитоценоза - зооценоз (от греч. “zoon” – животное), совокупность микроорганизмов, населяющих почву – микробоценоз.

Каждый биоценоз развивается в пределах определенного однородного пространства, которое характеризуется определенным сочетанием абиотических факторов. К ним могут относиться количество приходящей солнечной радиации, температура, влажность, химический и механический состав почвы, ее кислотность, рельеф местности и др. Такое однородное пространство, часть абиотической среды, занимаемое биоценозом, называется биотоп.Это может быть какой-либо участок суши или водоема, берег моря или склон горы. Биотоп – это неорганическая среда, которая является необходимым условием существования биоценоза. Между биоценозом и биотопом существует тесное взаимодействие.

В приведенном нами выше определении биоценоза акцент делается на приуроченности организмов к определенному местообитанию. К одному биоценозу относятся виды, которые сосуществуют вместе в пределах данной среды.

В связи с этим необходимо привести определение биоценоза, предложенное отечественными экологами. Биоценоз - это совокупность всех популяций биологических видов, принимающих существенное (постоянное или периодическое) участие в функционировании данной экосистемы.Из данного определения видно, что в биоценоз включаются не только виды растений, животных и микроорганизмов, постоянно обитающие в рассматриваемой экосистеме, но оказывающие существенное воздействие на жизнь экосистемы.

Например, многие насекомые размножаются в водоемах, где служат важным источником питания рыб и некоторых других животных, а во взрослом состоянии ведут наземный образ жизни, т.е. выступают как элементы сухопутных биоценозов. Зайцы могут питаться на лугу, а обитать в лесу. То же касается и многих видов лесных птиц, которые ищут себе пропитание не только в лесу, а и на прилегающих лугах или болотах. Примеры можно продолжить, особенно это касается относительно многих животных, ведущих кочевой образ жизни.

Поддержание структуры и функций сообщества зависит от сложного ряда взаимодействий, непосредственно или косвенно связывающих его членов в одну сложную сеть. Влияние той или иной популяции простирается до экологически отдаленных частей сообщества через ее конкурентов, хищников и жертв. Насекомоядные птицы не поедают деревья, но они поедают многих насекомых, которые кормятся листьями или опыляют цветки. Поедая насекомых-опылителей, птицы косвенным образом воздействуют на число производимых деревом плодов, на количестве пищи, доступной животным, которые питаются плодами и проростками, на хищников и паразитов этих животных и так далее.

Биоценоз, как открытая система, получает на ее "входе" солнечную энергию, газы, атмосферу, воду, минеральные элементы почвы. На "выходе" - тепло, кислород, углерод, биогенные вещества, уносимые водой. Однако главным "продуктом" биоценоза является живая продукция - растительная и животная биомасса, и так преобразованное в биотопе неживое и отмершее вещество - источник разнообразных полезных ископаемых.

 

5.2. ВИДОВАЯ СТРУКТУРА БИОЦЕНОЗА

 

Каждый биоценоз можно описать, основываясь на совокупности составляющих его видов. Одни биоценозы слагаются преимущественно из животных видов, как, например, биоценоз кораллового рифа. В других биоценозах - лесных - главную роль играют растения: биоценоз елового, березового, дубового леса. Степень насыщенности видами в различных биоценозах разная.

Самая известная закономерность видового разнообразия - его уменьшение от тропиков в сторону высоких широт. Причем, это касается всех групп наземных и водных организмов, начиная от двустворчатых моллюсков, муравьев и летающих насекомых до пресмыкающихся, птиц, деревьев.

Например, во влажных тропических лесах, в Малайзии, на 1 гектаре леса можно насчитать до 200 видов древесных пород. Биоценоз соснового леса в условиях Беларуси может включать максимум до десяти видов деревьев на 1 гектар, а на севере таежной области на такой же площади присутствуют 2-5 видов. Наиболее бедными биоценозами по набору видов являются альпийские и арктические пустыни, самыми богатыми - тропические леса. Правда, не обходится и без исключений. Пингвины и тюлени приполярных областей здесь наиболее разнообразны. Однако, в тропиках таких групп животных, не встречающихся в более высоких широтах значительно больше.

Наиболее простым показателем видового разнообразия биоценоза является общее число видов - видовое богатство. Если какой-либо вид растения (или животного) количественно преобладает в сообществе (имеет большую биомассу, продуктивность, численность или обилие), то такой вид называется доминантом, или доминирующим видом.

Доминантные виды есть в любом биоценозе. В дубраве могучие дубы, используя основную долю солнечной энергии, наращивают наибольшую биомассу, затеняют почву, ослабляют движение воздуха и создают массу удобств для жизни других обитателей леса.

Однако, кроме дубов в дубраве проживает большое количество других организмов. Например, дождевой червь, живущий здесь, постоянно улучшает физические и химические условия почвы, пропуская через свою пищеварительную систему частицы отмерших растений и опавших листьев. Дуб и червь вносят свой особый вклад в жизнедеятельность биоценоза, однако, несмотря на то, что роль червя и важна, роль дуба – определяющая, поскольку вся жизнь дубового леса обуславливается этой древесной породой и связанными с ним растениями. Поэтому, именно дуб является доминирующим видом в таком лесу.

На 0,1 га луга с доминированием овсяницы луговой можно насчитать до 50-60 видов высших растений; на 0,1 га широкотравной дубравы из дуба черешчатого можно насчитать 25-30 видов, а на такой же площади в сосняке мшистом произрастает всего 15-20 видов. Очевидно, что данные биоценозы различаются по видовому богатству, или видовому разнообразию.

Видовое разнообразие сообщества (число видов, встреченное в определенном местообитании) носит название альфа-разнообразия. Для измерения альфа-разнообразия предложено множество показателей, среди которых обычно используют степень количественной представленности вида. Однако самым простым и надежным показателем является подсчет числа видов на единицу площади.

Р.Уиттекер (1980) приводит пример увеличения разнообразия видов птиц в сообществах со сходной структурой от умеренного климата к климату тропических низменностей. Такое увеличение числа видов птиц стало возможно благодаря большему разнообразию местообитаний, т.е. разнообразию сообществ. Разнообразие сообществ носит название бета-разнообразие. Бета-разнообразие - это степень изменяемости флористического состава сообществ вдоль градиентов ведущего фактора (изменение климата, увлажнения, высоты над уровнем моря и т.п.). Для его оценки можно использовать результаты классификации данного региона и оценить бета-разнообразие числом установленных типов сообществ.

И, наконец, существует еще один способ оценки разнообразия сообществ. Все видовое богатство региона, слагающееся из альфа и бета-разнообразия называется гамма-разнообразие. Гамма-разнообразие - это видовое разнообразие ландшафтов, которые слагаются из разнообразных сообществ.

 

 

5.3. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА БИОЦЕНОЗА.

ЯРУСНОСТЬ И МОЗАИЧНОСТЬ

 

 

Биоценозы обладают рядом признаков и свойств, которые дают представление о характере их структуры. Любой биоценоз слагается из многих видов животных, растений и микроорганизмов, находящихся между собой в сложных взаимосвязях. Последние характеризуют структуру биоценоза. Понятие структуры биоценоза целесообразно рассматривать как общее понятие, включающее состав подчиненных элементов, их взаимное расположение (пространственная или морфологическая структура) и различные взаимоотношения между ними (функциональная структура) и все это в динамике, в изменении как в пространстве, так и во времени. Проблема определения пространственной структуры биоценоза сводится в общих чертах к расчленению его на различающиеся между собой внутриценозные части и выяснению их характера, их связей и меры зависимости их друг от друга и от условий среды.

Пространственная структура биоценоза включает его вертикальную и горизонтальную структуру.

Первый древесный ярус здесь обычно формируют высокие деревья с высоко расположенной листвой, которая хорошо освещается солнцем. Неиспользованный… Оставшиеся около 10% солнечной радиации перехватывается ярусом подлеска. Его… Это ярус подроста. К нему относятся молодые невысокие (от 1 до 3-5 м) деревца, которые в будущем, в перспективе,…

Р.Бернс

Понятие экологической ниши было введено американским зоологом-натуралистом Дж.Гриннеллом (1914) и английским экологом Ч.Элтоном (1927). Гриннелл… Элтон описывал нишу как место данного организма в биотической среде, как…

Экологическая ниша – это совокупность факторов среды, в которых обитает тот или иной вид оррганизмов, его место в природе, в пределах которого данный вид может существовать неограниченно долго.

Классическое определение экологической ниши дал американский эколог Дж. Ивлин Хатчинсон. Согласно сформулированной им концепции экологическая ниша представляет собой часть воображаемого многомерного пространства (гиперобъема), отдельные измерения которого соответствуют факторам, необходимым для нормального существования вида. Экологическую нишу, определяемую только физиологическими особенностями организмов, Дж. Хатчинсон назвал фундаментальной, а ту, в пределах которой вид реально встречается в природе - реализованной. Фундаментальной считается та ниша, которую вид может занять в биоценозе при отсутствии конкуренции. Реализованная ниша – та часть фундаментальной ниши, которую данный вид (популяция) в состоянии «отвоевать» в конкурентной борьбе. Таким образом, реализованная экологическая ниша как бы вложена в фундаментальную и почти всегда меньше последней.

Экологическую нишу можно также определить как место вида в природе, включающее не только положение вида в пространстве, но и функциональную роль его в сообществе (например, трофический статус) и его положение относительно абиотических условий существования (температуры, влажности и т.п.).

Отметим, что необходимо отличать понятие «экологическая ниша» от понятия «местообитание» (среда обитания). Оба понятия частично перекрываются, но термин «среда обитания» обозначает лишь пространство, где распространяется и обитает определенный вид, тогда как термин «экологическая ниша» включает в себя ту роль, функцию, который выполняет данный вид в среде обитания. Местообитание вида – это совокупность отвечающих его требованиям участков в пределах видового ареала. Местообитание вида является важным компонентом его экологической ниши.

Вспомним кроликов в Австралии. Ведь они размножились там в невероятном количестве только из-за того, что была свободна экологическая ниша, которую они заняли. Иногда такое внедрение инородного вида в экосистему с незанятыми экологическими нишами - бедствие, иногда такое расселение может служить человеку. Возьмем, к примеру, такого зверька как ондатра. Ее родина – Северная Америка. Ученые сравнили животный мир водно-болотных ландшафтов Северной Америки и Евразии. Оказывается, очень много сходного. И вот в конце 20-х годов этот крупный грызун с довольно ценным мехом был завезен на территорию России и поселен на Соловецких островах в Белом море и у берегов Камчатки. Позже ондатру стали акклиматизировать в пресных водоемах. Сейчас она обычна на территории бывшего Советского Союза. Зверек занял свободную экологическую нишу: берега и мелководья рек, озер и болот. Да и корма в достатке – огромная биомасса водных растений. Так этот чужой для нашей фауны вид помог одеться многим в теплые ондатровые шапки и воротники.

Одна из основных проблем, стоящих перед членами одного сообщества, будь это растения или животные, - это распределение жизненного пространства. Для этого организмы приспособились разделять экологические ниши, причем, это может быть пространственное или временное разделение ниш. Птицы, обитающие в разных местах крон деревьев, могут никогда не сталкиваться с птицами, обитающими в листве кустарников. Многие млекопитающие, например речные бобры, метят территорию своего проживания пахучими выделениями, другие оповещают соседей предостерегающими криками. Цветковые растения распускают свои цветы в разное время года, приспосабливаясь к разносезонным насекомым.

Размерность экологической ниши в природе может быть самой различной. Одни организмы могут существовать в широких экологических амплитудах, и тем самым расширять свою экологическую нишу Другие же наоборот эволюционно приспособились к довольно узким экологическим нишам. Удивительгный пример такого сужения экологической ниши можно наблюдать у одного из азиатских видов комаров. Обитающий в Таиланде Anopheles dirus размножается исключительно только в заполненных дождевой водой ямках, образующихся в лесу от следов ног, оставленных слонами!

Еще примеры. Несколько лет назад в непроходимом лесу гавайского острова Мауи был обнаружен новый вид птиц Melamprosops phaeosoma, относящийся к семейству гавайских цветочниц. Местообитание этих птиц простирается всего лишь на несколько квадратных километров.

Ареал оранжевой жабы (Bufo periglenes) охватывает вершину одной-единственной горы в Коста-Рике. Всего за несколько часов весь лес здесь можно вырубить. Тогда золотистой жабе и подобным ей эндемикам (местным видам, обитающим только в данном регионе) придет конец.

 

5.6. ТРОФИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА БИОЦЕНОЗА

ПИЩЕВЫЕ ЦЕПИ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПИРАМИДЫ

 

Крупная рыба питается средней, а средняя – мелюзгой.

Восточная пословица

 

Движение вещества и энергии – основное условие поддержания жизнедеятельности организмов в биоценозе, его устойчивости. Первоначальная пища создается зелеными растениями. Основным источником энергии для зеленых растений является солнечное излучение. Поглощая энергию Солнца, с использованием углекислого газа, воды и растворенных в ней неорганических соединений, фотосинтезирующие организмы (зеленые растения, некоторые протисты, бактерии и цианобактерии) преобразуют ее в процессе фотосинтеза в химическую энергию органических веществ. Эти вещества служат источником энергии не только для самих зеленых растений, но и для других организмов, составляющих биоценоз.

По участию в биологическом круговороте веществ в биоценозе различают три группы организмов.

1. Основу биоценоза составляют продуценты (автотрофные организмы). Являясь организмами-продуцентами автотрофы синтезируют с помощью солнечного света из СО2 и Н2О, а также неорганических солей почвы органические соединения, преобразуя при этом световую энергию в химическую. Они обеспечивают органическими веществами и энергией все живое население биоценоза. Зеленые растения лежат в основании всех пищевых связей. Они не только кормятся сами, но и кормят все остальные живые организмы.

Скорость, с которой в ходе фотосинтеза солнечная энергия преобразовывается в органическое вещество в пересчете на единицу площади носит название первичной продукции. Она выражается либо в единицах энергии (джоуль на 1 м2 за сутки), либо в единицах сухого органического вещества (килограмм на 1 га за сутки).

2. Кроме продуцентов в экосистему входят организмы, которые используют для питания органические вещества, произведенные другими видами. Они не способны синтезировать вещества своего тела из неорганических составляющих. Это консументы (потребители). К ним относятся все животные, которые извлекают необходимую энергию из готовой пищи, поедая растения или других животных. Первичными консументами являются растительноядные животные (фитофаги), питающиеся травой, семенами, плодами, подземными частями растений — корнями, клубнями, луковицами и даже древесиной (некоторые насекомые). Ко вторичным консументам относят плотоядных животных (хищников).

К консументам также можно отнести группу бесхлорофильных растений (растения-паразиты), которые, присасываясь к корням своих собратьев в буквальном смысле тянут из них соки. В мире растений это наш лесной петров крест, полевая заразиха.

Многие консументы в свою очередь служат пищей другим животным. Консументы сами не могут строить органическое вещество из неорганического и получают его в готовых формах, питаясь другими организмами. В своих телах они преобразуют органическое вещество в специфические формы белков и других веществ, а в окружающую среду выделяют отходы, которые образуются в процессе их жизнедеятельности. Скорость образования биомассы консументами носит название вторичной продукции.

3. Особую группу консументов составляют редуценты (от лат. reducens, reducentis — возвраща­ющий, восстанавливающий) — микроорганизмы и грибы, разрушающие мертвое органическое вещество и превращающие его в воду, СО2 и неорганические вещества, которые в состоянии усваивать другие организмы (продуценты).

Основными редуцентами являются бактерии, грибы, простейшие, т.е. гетеротрофные микроорганизмы. Если снижается их активность (например, при использовании человеком сильно действующих пестицидов), то ухудшаются условия для жизнедеятельности растений и консументов. Мертвые органические остатки, (гниющий в лесу пень, труп животного) не исчезают в никуда, они разлагаются редуцентами до простых неорганических соединений. При этом выделяется большое количество СО2. За счет разложения и минерализации мертвых органических остатков высвобождаются химические элементы. Таким образом, редуценты полностью разлагают все растительные и животные остатки до неорганических составляющих, которые снова могут быть вовлечены в круговорот веществ, тем самым замыкая его, улучшая условия питания растений и увеличивая объем создаваемой биологической продукции. Так восстанавливается неорганическая материя.

Таким образом, осуществляя пищевые взаимодействия, организмы биоценоза выполняют три функции:

1) энергетическую, которая выражается в запасании энергии в форме химических связей первичного органического вещества; ее выполняют организмы-продуценты;

2) перераспределения и переноса энергии пищи; ее выполняют консументы;

3) разложенияредуцентами органического вещества любого происхождения до простых минеральных соединений, которые снова вовлекаются в биологический круговорот организмами-продуцентами.

Энергия, содержащаяся в одних организмах потребляется другими организмами. Перенос веществ и заключенной в них энергии от автотрофов к гетеротрофам, происходящий в результате поедания одними организмами других, называется пищевой цепью(рис. ). Число звеньев в ней может быть различным, но обычно их бывает от 3 до 5.

Совокупность организмов, объединенных одним типом питания и занимающих определенное положение в пищевой цепи носит название трофический уровень. К одному трофическому уровню принадлежат организмы, получающие свою энергию от Солнца через одинаковое число ступеней.

Первый трофический уровень занимают автотрофы (продуценты), второй - растительноядные животные (консументы первого порядка), третий - хищники, питающиеся растительноядными животными (консументы второго порядка) и паразиты первичных консументов, и, наконец, вторичные хищники (консументы третьего порядка) и паразиты вторичных консументов образуют четвертый трофический уровень. Трофических уровней может быть и больше, когда учитываются паразиты, живущие на консументах предыдущих уровней (рис. ).

В развитых, сложившихся биоценозах существуют сложные пищевые взаимодействия между автотрофами и гетеротрофами. Поэт Николай Заболоцкий так изобразил три звена пищевой цепи гетеротрофов: "Жук ел траву, жука клевала птица, хорек пил мозг из птичьей головы".

Простейшая пищевая цепь (или цепь питания) может состоять из фитопланктона, затем более крупных планктонных ракообразных и завершается китом, который фильтрует этих ракообразных из воды. Всем известная примета погоды, когда ласточки летают низко над землей, тоже повинуется биологическому закону цепей питания. Как известно, при низком полете ласточек обычно ожидают ухудшения погоды и близящегося дождя. Комары - любимое лакомство ласточек - постоянны в своей любви к атмосферному давлению. Если оно понижается, то меняют "воздушный коридор" и комары, а за ними вниз к земле устремляются ласточки. Комары для них - одно из основных звеньев в пищевой цепи. Глядя на низко летающих пернатых, мы говорим, что это - к дождю. И в большинстве случаев оказываемся правыми.

Еще один пример - цепь питания из болотного биоценоза. Начинается такая цепь с улавливания солнечной энергии цветком. Бабочка, питающаяся нектаром цветка, представляет собой второе звено в этой цепи. Одно из самых хищных летающих насекомых - стрекоза нападает на бабочку. Спрятавшаяся среди зеленой травы лягушка ловит стрекозу, но сама служит добычей для такого хищника, как уж. Это уже пятое звено пищевой цепи. Целый день уж мог бы переваривать лягушку, но еще не успело зайти солнце, как он сам стал добычей другого хищника - ястреба. Цепь питания замкнулась. У ястреба, так же как и у кита особенных врагов нет. Вот только человека им стоит опасаться. Человек - потенциальное (но не обязательное) заключительное звено пищевой цепи.

Знание пищевых цепей в природе необходимо для прогнозирования последствий любых воздействий на экосистемы. Хорошо известен пример того, к чему привело игнорирование структуры пищевых цепей при попытке уничтожить комаров на озере Клир-Лэйк в США. После использования для этой цели инсектицида ДДТ, его концентрация в воде составила 0,02 части на 106, в планктоне - 10 на 106, в рыбах, питающихся планктоном, - 903 на 106, в хищных рыбах - 2690 на 106, а в рыбоядных птицах - 2134 на 106. Таким образом, концентрация ДДТ увеличилась в 100 тыс. раз по мере продвижения вверх по пищевой цепи, что привело к сокращению численности птиц на озере Клир-Лэйк.

Как-то крестьяне обратились к великому Чарльзу Дарвину, чтобы он подсказал им как увеличить урожаи семян клевера, которые стали катастрофически падать. «Заведите кошек», — ответил ученый. Крестьяне подумали, что он шутит. Но Дарвин знал то, чего не знали крестьяне. Клевер опылялся шмелями, гнезда которых стали разорять расплодившиеся мыши. Вот вам и еще один пример пищевой цепи: клевер — шмели — мыши — кошки.

Пищевая цепь в экосистеме начинается с зеленого растения и через ряд промежуточных организмов-консументов заканчивается звеном, который представлен хищными птицами или хищными млекопитающими.

В биоценозах обычно существует ряд параллельных пищевых цепей, например, травянистая растительность — грызуны — мелкие хищники; травянистая растительность — копытные — крупные хищники. Параллельные пищевые цепи нередко объединяют обитателей разных ярусов (почвы, травянистого покрова, древесного яруса), но и между ними могут существовать связи. Сокращение численности особей одного вида — звена в пищевой цепи, вызванное деятельностью человека или другими причинами, неизбежно приводит к нарушениям целостности экосистемы.

Пищевые цепи в чистом виде в природе встречаются довольно редко. В большинстве случаев один и тот же организм может быть съеден разными хищниками. Например, дафнию может употребить в пищу не только мелкая рыба, но и хищный рачок циклоп, а плотва может быть съедена не только щукой, но и выдрой. Как видно, одни и те же виды могут быть источником пищи для многих организмов, и тем самым являться составной частью различных пищевых цепей. В результате в биогеоценозе формируются пищевые сети - сложный тип взаимоотношений, включающий разветвленные цепи питания. Сложность пищевых цепей многократно возрастает, если принять во внимание, что у членов цепей питания – организмов-хозяев – имеются многочисленные специфические паразиты, которые в свою очередь являются звеньями других цепей. Например, обыкновенная белка является хозяином 50 видов различных паразитов.

Пищевые цепи, которые начинаются с автотрофных фотосинтезирующих организмов, называются пастбищными, или цепями выедания. Примером может служить пастбищная пищевая цепь лугового биогеоценоза. Начинается такая цепь с улавливания солнечной энергии растением. Бабочка, питающаяся нектаром цветка, представляет собой второе звено в этой цепи. Стрекоза - хищное летающее насекомое, нападает на бабочку. Спрятавшаяся среди зеленой травы лягушка ловит стрекозу, но сама служит добычей для такого хищника, как уж. Это уже пятое звено пищевой цепи. Целый день уж мог бы переваривать лягушку, но еще не успело зайти солнце, как он сам стал добычей другого хищника - змееяда. Цепь питания замкнулась.

Если пищевая цепь начинается с отмерших остатков растений, трупов и экскрементов животных – детрита – она называется детритной или цепью разложения. Такие цепи наиболее характерны для сообществ дна глубоких озер, океанов, где многие организмы питаются за счет оседания детрита, образованного отмершими организмами верхних освещенных слоев водоема. Распространены детритные цепи также и в лесах, где большая часть ежегодного прироста живой массы растений не потребляется непосредственно растительноядными животными, а отмирает, образуя опад, и разлагается затем сапротрофными организмами с последующей минерализацией редуцентами. Типичным примером детритной пищевой цепи наших лесов является следующая: листовая подстилка – многоножки – черный дрозд – ястреб-перепелятник.

Таким образом, энергия, входящая в экосистему, разбивается на два основных русла, поступая к консументам через живые ткани растений или запасы мертвого органического вещества.

В результате последовательности превращений энергии в пищевых цепях каждое сообщество живых организмов приобретает определенную трофическую структуру. Трофическая структура сообщества отражает соотношение между продуцентами, консументами (отдельно первого, второго и т.д. порядков) и редуцентами, выраженное или количеством особей живых организмов, или их биомассой, или заключенной в них энергией, рассчитанных на единицу площади в единицу времени.

Трофическую структуру обычно отображают графическими моделями в виде экологических пирамид. Эффект пирамиды в виде таких моделей разработал в 1927 году английский зоолог Чарлз Элтон. Основанием пирамиды служит первый трофический уровень - уровень продуцентов, а последующие уровни образуют следующие этажи пирамиды – консументы различных порядков. При этом высота всех блоков - одинакова, а длина пропорциональна числу, биомассе или энергии на соответствующем уровне. Различают три способа построения экологических пирамид.

1.Пирамида чисел (численностей) отражает численность отдельных организмов на каждом уровне. Например, чтобы прокормить одного волка, необходимо по крайней мере несколько зайцев, на которых он мог бы охотиться; чтобы прокормить этих зайцев, нужно довольно большое количество разнообразных растений. Иногда пирамиды чисел могут быть обращенными, или перевернутыми. Это касается пищевых цепей леса, когда продуцентами служат деревья, а первичными консументами – насекомые. В этом случае уровень первичных консументов численно богаче уровня продуцентов (на одном дереве кормится большое количество насекомых).

2. Пирамида биомасс - соотношение между организмами разных трофических уровней (продуцентами, консументами и редуцентами), выраженное в их массе. Обычно в наземных биоценозах общая масса продуцентов больше, чем каждого последующего звена. В свою очередь, общая масса консументов первого порядка больше, нежели консументов второго порядка и т.д. Если организмы не слишком различаются по размерам, то на графике обычно получается ступенчатая пирамида с суживающейся верхушкой. Так, для образования 1 кг говядины необходимо 70-90 кг свежей травы.

В водных экосистемах можно также получить обращенную (или перевернутую) пирамиду биомасс, когда биомасса продуцентов оказывается меньшей, нежели консументов, а иногда и редуцентов. Например, в океане при довольно высокой продуктивности фитопланктона, общая масса в данный момент его может быть меньше, нежели потребителей-консументов (киты, крупные рыбы, моллюски).

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

3. Пирамида энергии отражает величину потока энергии, скорость прохождения массы пищи через пищевую цепь. На структуру биоценоза в большей степени оказывает влияние не количество фиксированной энергии, а скорость продуцирования пищи.

Пирамида энергии, в отличие от пирамид чисел и биомасс, всегда суживается кверху (рис. ).

Для иллюстрации трофической структуры упрощенной теоретической экосистемы можно привести пример одной ее цепи, которая функционирует в течение года. Пусть имеется посев люцерны на площади в 4 га. Здесь кормятся телята, мясом которых (и только им) в течение года питается 12-летний мальчик. Результаты расчетов представлены в виде трех пирамид: чисел, биомасс и энергии. (рис. )

Люцерна использует всего 0,24% всей падающей на поле солнечной энергии. Из этого количества 8% накапливается телятами, 0,7% расходуется на рост и развитие ребенка. В итоге из всей солнечной энергии, падающей на 4 га люцернового поля, лишь немногим более одной миллионной доли ее идет на пропитание мальчика в течение года. За то же время мальчик съедает 4,5 теленка, которые поедают 20 млн растений люцерны.

Пищевая цепь, идущая от цветка через стрекозу, лягушку, ужа к ястребу, указывает путь органических веществ, а также содержащихся в них энергии и неорганических питательных веществ. Общее правило касающееся любой пищевой цепи гласит, что на каждом трофическом уровне сообществе большая часть поглощаемой с пищей энергии рассеивается в виде тепла, движения, а у светящихся организмов - в виде света, причем, ни одна из этих форм энергии не может быть использована другими организмами. Таким образом, потребленная пища на каждом трофическом уровне ассимилируется не полностью. Значительная ее часть тратится на обмен веществ. При переходе к каждому последующему звену пищевой цепи общее количество пригодной для использования энергии, передаваемой на следующий, более высокий трофический уровень, уменьшается. Продукция каждого последующего уровня примерно в 10 раз меньше продукции предыдущего.

Установлено, что максимальная величина энергии, передающаяся на следующий трофический уровень может в некоторых случаях составлять 30% от предыдущего, и это в лучшем случае. Во многих биоценозах, пищевых цепях такой процент передаваемой энергии может составлять всего лишь 1%.

В 1942 году Р.Линдеман сформулировал закон пирамиды энергий (или закон 10 процентов), согласно которому с одного трофического уровня через пищевые цепи на другой трофический уровень переходит в среднем около 10% поступившей на предыдущий уровень экологической пирамиды энергии. Остальная часть энергии теряется в виде теплового излучения. Организмы в результате процессов обмена теряют в каждом звене пищевой цепи около 90% всей энергии, которая расходуется на поддержание их жизнедеятельности.

Если заяц съел 10 кг растительной массы, то его собственная масса может увеличиться на 1 кг. Лисица или волк, поедая 1 кг зайчатины увеличивают свою массу уже только на 100 г, или на 0,01 от биомассы растений, съеденных зайцем. В случае древесных растений эта доля много ниже из-за того, что древесина плохо усваивается организмами. Для трав и морских водорослей эта величина значительно больше, поскольку у них отсутствуют трудноусвояемые ткани. Однако, общая закономерность процесса передачи энергии остается: через верхние трофические уровни ее проходит значительно меньше, чем через нижние.

Вот почему цепи питания обычно не могут иметь более 3-5 (редко 6) звеньев, а экологические пирамиды не могут состоять из большого количества этажей. К конечному звену пищевой цепи, так же как и к верхнему этажу экологической пирамиды будет поступать так мало энергии, что ее не хватит в случае увеличения числа организмов.

Этому утверждению можно найти объяснение, проследив, куда тратится энергия потребленной пищи (С). Часть ее идет на построение новых тканей, т.е. на прирост (Р). Часть энергии пищи расходуется на обеспечение энергетического обмена, или на дыхание (R). Поскольку усвояемость пищи не может быть полной, т.е. 100%, то часть неусвоенной пищи в виде экскременотов удаляется из организма (F). Балансовое равенство будет выглядеть следующим образом:

C = P + R + F

Учитывая, что энергия, затраченная на дыхание, не передается на следующий трофический уровень и уходит из экосистемы, становится ясным, почему каждый последующий уровень всегда будет меньше предыдущего.

Именно поэтому большие хищные животные всегда немногочисленны. Поэтому также нет хищников, которые питались бы волками. В таком случае они просто не прокормились бы, поскольку волки немногочисленны.

Неравноценность показателей при сопоставлении различных экологических пирамид дало основание Ю.Одуму сформулировать своеобразное "экологическое правило", согласно которому "данные по численности приводят к переоценке значения мелких организмов, а данные по биомассе - к переоценке роли крупных организмов". Поэтому при исследовании трофической структуры биоценоза наиболее подходящим показателем для сравнения любых компонентов биоценоза является поток энергии.

 

ГЛАВА 6. ЭКОСИСТЕМЫ. ДИНАМИКА И СТАБИЛЬНОСТЬ ЭКОСИСТЕМ

 

Невозмутимый строй во всем,

Созвучье полное в природе -

Лишь в нашей призрачной свободе

Разлад мы с нею сознаем.

Откуда, как разлад возник?

И отчего же в общем хоре

Душа не то поет, что море,

И ропщет мыслящий тростник?

Ф.Тютчев

Понятие экосистемы является ключевым для каждого, кто стремится узнать и понять, как устроен мир. Экосистемы являются своего рода… Термин "экосистема" был предложен в 1935 г. английским ботаником… Примеры экосистем: пруд с обитающими в нём растениями, рыбами, беспозвоночными животными, микроорганизмами, донными…

Роберт Уиттекер

Если задаться вопросом - сколько экосистем существует на земном шаре, то, вероятно ответить на него будет нелегко. И все из-за безразмерности,… Биом - это природная зона или область с определенными климатическими условиями… Итак, термин "биом" применяется для крупных сочетаний экосистем. Может быть, не стоило городить огород и…

Консорция – это совокупность разнородных организмов, жизнедеятельность которых в пределах биогеоценоза связана на основе пищевых (трофических) и пространственных (топических) связей с центральным видом (консоргентом) – автотрофным организмом (зеленое растение).

Таким образом, консорция объединяет автотрофные и гетеротрофные организмы, которые тесно связаны между собой на основе пространственных и пищевых взаимоотношений, и зависят от центрального члена, или ядра.

В роли центрального вида обычно выступает эдификатор (обычно автотрофное растение) – основной вид, который определяет особенности биоценоза. Примером консорции может служить любое отдельное дерево с комплексом паразитов, грибами, эпифитами, насекомыми, гнездящимися птицами и т.д. Каждая консорция состоит из двух частей. Основная часть представлена центральным растением – консортом-детерминантом (ядро консорции); в своей жизнедеятельности с этим ядром связана группа организмов, входящих в состав консорции - консортов. В зависимости от степени приближенности консортов к центральному ядру, различают несколько концентров. Например, в консорции ели к 1-му концентру относят эпифитные лишайники, мхи, водоросли, грибы, бактерии. 2-й концентр составляют организмы, которые связаны с растениями 1-го концентра. К 3-му концентру относятся зоопаразиты животных предыдущего концентра.

 

6.6. АГРОЭКОСИСТЕМЫ, ИХ ОСОБЕННОСТИ

 

Агроэкосистема(сельскохозяйственная экосистема, агроценоз, агробиоценоз) - биотическое сообщество, созданное и регулярно поддерживаемое человеком с целью получения сельскохозяйственной продукции. Обычно включает совокупность организмов, обитающих на землях сельхозпользования. Характерная особенность агроэкосистем - малая экологическая надежность, но высокая урожайность одного или нескольких видов (или сортов культивируемых растений) или животных. К агроэкосистемам относят поля, сады, огороды, виноградники, крупные животноводческие комплексы с прилегающими пастбищами и т.д.

Агроэкосистемы, как и природные экосистемы характеризуются набором составляющих их видов (т.е. обладают определенным составом организмов) и определенными взаимоотношениями между организмами и средой обитания. В агроценозе складываются те же цепи питания, что и в естественных экосистемах. Например, трофическую структуру ржаного поля определяет набор продуцентов (рожь, сорняки), консументов (насекомые, птицы, полевки, лисы) и редуцентов (грибы, микроорганизмы). Однако, в отличие от естественной экосистемы, обязательным звеном пищевой цепи здесь является человек, который формирует агроценозы, исходя из их практической значимости и обеспечивает их высокую продуктивность.

Агроэкосистемы представляют собой искусственные системы и отличаются от естественных экосистем рядом особенностей.

Первым отличием является то, разнообразие живых организмов в них резко снижено для получения максимально высокой продукции. На ржаном или пшеничном поле кроме злаковой монокультуры можно встретить разве что несколько видов малообильных сорняков. На естественном лугу биологическое разнообразие значительно выше, но биологическая продуктивность уступает засеянному полю во много раз.

Академик А. Тахтаджян в свое время пришел к выводу, что победа цветковых растений в борьбе за существование была обеспечена их способностью образовывать многоярусные сложные сообщества. Внедряя монокультуры, мы идем против эволюционных традиций живой природы. Агроэкосистемы будущего должны быть многообразны, многокомпонентны.

Второе отличие – пути отбора организмов в агроценозе. Виды сельскохозяйственных растений и животных получены в результате действия искусственного, а не естественного отбора, что в значительной мере влияет на сужение их генетической базы. Всего четыре сорта пшеницы обеспечивают 75% урожая зерновых в канадских прериях, причем более половины площадей, отведенных под пшеницу, засевается всего одним сортом. То же касается и картофеля: 72% его сборов в США обеспечиваются всего лишь четырьмя сортами, а все производство культуры гороха основывается на двух сортах. Таким образом, в агроэкосистемах произошло резкое сужение генетической базы сельскохозяйственных культур, которые крайне чувствительны к массовым размножениям вредителей и болезням.

Третье отличие, собственно говоря, и отличающее агроэкосистему от природной экосистемы, состоит в получении дополнительной энергии для нормального функционирования. Под дополнительной понимается любой тип энергии, привносимый в агроэкосистему. Это может быть мускульная сила человека или животных, различные виды горючего для работы сельскохозяйственных машин, удобрения, пестициды, ядохимикаты, дополнительное освещение и т.д. Под дополнительной энергией можно также понимать новые породы домашних животных и сорта культурных растений, внедряемые в структуру агроэкосистемы.

Если проанализировать мировое производство основных пищевых растений, то окажется, что их количество ограничивается цифрой 30. Эти 30 растений составляют 95% нашей пищи. Львиную долю среди этих культур составляют пшеница, кукуруза и рис. К ним можно отнести еще картофель. В то же время такие наши повседневные спутники как капуста, лук и горох, в пищевом рационе человечества занимают соответственно 25, 26 и 28-е место. Оказывается, для большинства землян они более экзотичны, нежели бананы, апельсины, кокосы, не говоря уже о таких массовых тропических как бататы и кассава, занимающие 6-ю и 7-ю строчки в этом списке.

Выведение новых пород крупного рогатого скота в настоящее время преследует строго утилитарные цели. Получение тех или иных конкретных качеств (мясные и молочные породы) неизбежно ведет к вытеснению тех пород, характеристики которых в данное время имеют меньшую ценность. Не так давно в каждом районе и практически в каждой деревне средиземноморского бассейна были свои особые породы коров, коз, лошадей или овец, каждая из которых идеально отвечала местным потребностям, а значит, и генетическое разнообразие видов домашних животных было высоким. Теперь же из 145 пород крупного рогатого скота Европы и Средиземноморья не менее 115 находятся под угрозой исчезновения. Во Франции черно-пестрые коровы бретонской породы молочного направления начинают постепенно вытесняться новыми, получаемыми путем скрещивания с американской голштинской породой. Такое положение дел заставило французских экологов разрабатывать меры по сохранению отечественных пород.

Четвертое отличие: для агроценозов, по сравнению с естественными биоценозами, характерна большая открытость. В естественных экосистемах первичная продукция растений потребляется в многочисленных цепях питания и вновь возвращается в систему биологического круговорота в виде углекислого газа, воды и элементов минерального питания. Агроценозы же более открыты, и из них изымается вещество и энергия с урожаем, животноводческой продукцией, а также в результате разрушения почв. Смена растительного покрова в агроценозах происходит не естественным путем, а по воле человека, что не всегда хорошо отражается на качестве входящих в нее абиотических факторов. Особенно это касается почвенного плодородия.

Почва является важнейшей системой жизнеобеспечения и существования сельскохозяйственного производства. Однако продуктивность сельскохозяйственных экосистем зависит не только от плодородия почвы и поддержания ее качества. В не меньшей мере на нее влияет сохранность среды обитания полезных насекомых (опылители) и других представителей животного мира. К тому же в этой среде обитают многие естественные враги скохозяйственных врдителей. Так, уже стал хрестоматийным пример массовой гибели опылителей полей гречихи в США, происходившей при столковении их с автомобилями в местах близкого расположения сельскохозяйственных угодий к автотрассам. Печально известна также "антиворобьевая" кампания в Китае, когда были уничтожены тысячи особей этих якобы вредящих урожаю зерновых птиц. А вслед за этим последовала вспышка размножения вредителей злаковых культур, которая нанесла по-настоящему серьезный урон земледельцам страны.

Все искусственно создаваемые в сельскохозяйственной практике агроэкосистемы полей, садов, пастбищных лугов, огородов, теплиц представляют собой системы, специально поддерживаемые человеком. В агросистемах используется именно их свойство производить высокую чистую продукцию, так как все конкурентные воздействия на культивируемые растения со стороны сорняков сдерживаются агротехническими мероприятиями, а формирование пищевых цепей за счет вредителей пресекается с помощью различных мер, например, химической и биологической борьбы. Но эти сообщества неустойчивы, не способны к самовосстановлению и саморегулированию, подвержены угрозе гибели от массового размножения вредителей или болезней. Для их поддержания необходима постоянная деятельность людей.

 

ГЛАВА 7. БИОСФЕРА КАК ВЫСШИЙ УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВЫХ СИСТЕМ

Сияет солнце, воды блещут,

На всем улыбка, жизнь во всем,

Деревья радостно трепещут,

Купаясь в небе голубом.

Поют деревья, блещут воды,

Любовью воздух растворен,

И мир, цветущий мир природы,

Избытком жизни упоен.

Ф.И.Тютчев

Два мира есть у человека:

Один, который нас творил,

Другой, который мы от века

Творим по мере наших сил.

Н.Заболоцкий

 

 

7.1. СОСТАВ И СТРОЕНИЕ БИОСФЕРЫ

 

Появление и развитие учения о биосфере стало новой вехой в естествознании, в изучении взаимодействия и взаимоотношений между косной и живой природой, между человеком и окружающей средой.

Учение о живой природе было создано и развито многими выдающимися натуралистами прошлых веков. Но тогда исследовался главным образом растительный и животный мир, а биосфера – как качественно новое геологическое, биологическое и экологическое цельное явление на планете – не рассматривалась. Однако изучения одних локальных проблем оказалось недостаточно. В современных условиях необходимо изучать биосферу как единое целое в ее взаимодействии с человечеством.

В лекциях 1800 г. французский естествоиспытатель Жан Батист Ламарк (1744-1829) отметил, что живые тела содержат все неорганические вещества, наблюдаемые в природе, и объяснил это активным участием животных и растений в формировании поверхности Земли. Позже он заключает, что все минералы внешней коры и состоящие из них элементы земной поверхности являются исключительно продуктами животных и растений, которые существовали на этих участках поверхности земного шара.

Обобщения, сделанные Ламарком, позволяют нам говорить о том, что высказанные им идеи содержат в себе зачатки понятия о биосфере.

Во времена Ламарка все многообразие окружающего мира - от атомов до планет - делилось на три царства: растения, животные, минералы. Ламарк, упростив это деление, всю природу разделил на два царства: живое и неживое. В своей знаменитой "Философии зоологии" он составил таблицу противоположностей живого и неживого.

Работы Ламарка положили начало представлениям о существовании на нашей планете определенного пространства, заселенного живыми существами. Причем подчеркивалось, что это пространство организовано именно жизнедеятельностью организмов.

Из множества терминов, которые были предложены для обозначения такого пространства, закрепился один, предложенный в 1875 г. австрийским геологом Эдуардом Зюссом. Именно Зюссу и отдается приоритет в первом употреблении термина «биосфера». Он писал: «В области взаимодействия верхних сфер и литосферы и на поверхности материков можно выделять самостоятельную биосферу. Она простирается теперь как над сухой, так и над влажной поверхностью, но ясно, что раньше она была ограничена только гидросферой».

Еще в XVII - XVIII веках многими учеными умами высказывалась идея о взаимосвязанности всех процессов в живой и неживой природе. Ученые разных специальностей подготавливали почву, на которой в начале XX века проросли ростки глобального учения о биосфере. Известный математик Н.Н. Моисеев по поводу глобальности некоторых проблем писал: «Эпитет "глобальный" возник в начале 70-х годов. Его используют всякий раз, когда речь идет о проблемах, относящихся к планете в целом. Это могут быть и вопросы экологии человека - дисциплины, в которой человечество рассматривается как одно целое... Датировать начало глобальных исследований очень трудно, ибо ученых всегда интересовали общие вопросы эволюции нашей планеты и характер процессов, которые на ней происходят. Но я предпочитаю обозначать термином "глобальные исследования" лишь те работы, которые направлены на изучение влияния человека на характер процессов общепланетарного масштаба".

К одному из таких глобальных учений, определивших направление и эволюцию естественной и экологической мысли XX века, принадлежит учение о биосфере.

Согласно современным представлениям, биосфера (от греч. bios - жизнь, sphaira - шар) – это своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.

По определению основоположника учения о биосфере В.Н.Вернадского, биосфера – это оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяются совокупной деятельностью живых организмов. Сама же совокупная деятельность живых организмов проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба. Поражает то, насколько невелика область распространения жизни на Земле: всего несколько десятков метров почвенного слоя, около 11 км океанских глубин и 10-15 км атмосферы. Таково пространство, где рождаются, развиваются и умирают 1,5 млн видов животных и 350 тыс. видов растений, распространенных на нашей планете.

Наша планета Земля неповторима в плане разнообразия условий внешней среды. Это океанские просторы и горные цепи, "артериальная" сеть крупных рек и мелких речушек, жаркие пустыни и вечные льды полюсов. Земля - это чудо вселенной, уникальная сфера, жемчужина в космическом пространстве. Главная особенность планеты - это существование на ней жизни в самых разных ее проявлениях. Изумляет богатое разнообразие живых существ: микроскопические организмы, насекомые, растения, рыбы, птицы, млекопитающие и, наконец, сам человек.

Многие другие планеты также могут иметь ядро, мантию, кору и атмосферу. Так, на спутнике Сатурна Титане возможно существование морей из жидкого метана, а на многих удаленных от Солнца планетах зарегистрировали присутствие оледеневшей гидросферы. На многих небесных телах найдены молекулы воды, но лишь в земной среде с ее узкими границами температур и атмосферного давления вода одновременно может присутствовать в трех фазах: газообразной, жидкой и твердой. Такому состоянию воды на нашей планете способствует и благоприятное расстояние ее от Солнца: будь Земля немного ближе к раскаленному солнечному шару, пары воды никогда бы не конденсировались, а если бы расстояние до Солнца было больше, вода замерзла бы, образуя сплошной ледяной покров.

Идеальное снабжение энергией обусловлено тем, что Земля находится именно на таком расстоянии от Солнца, которое обеспечивает существование жизни - 149 000 000 км. Она движется со скоростью около 107 000 км/час. Именно эта скорость компенсирует силу тяготения Солнца и удерживает Землю на подходящем расстоянии. Если бы скорость движения Земли упала, она была бы притянута к Солнцу и со временем превратилась бы в выжженную пустыню, как ближайший к Солнцу Меркурий. С другой стороны, если бы орбитальная скорость Земли возросла, она бы удалилась от Солнца и оказалась скованной ледовым панцирем, как Плутон.

Однако, как бы там ни было, жизнь в ее многочисленных проявлениях тонким хрупким слоем покрыла всю нашу голубую планету. На Земле появились структуры, способные самовоспроизводиться, менять свою форму в результате комбинации и рекомбинации генов и передавать эти изменения потомкам. Делящаяся клетка остается неизменной в новых поколениях. Жизнь постоянно и беспрерывно воспроизводит себя и проявляется в возникновении новых видов и особей, каждая из которых уникальна. Количество вариантов и возможных генетических комбинаций, которые приводят к созданию уникальных организмов, больше, нежели число световых лет, отделяющих Землю от самой дальней Звезды. Предполагают, что количество таких потенциальных комбинаций выражается числом 265 с двадцатью четырьмя миллиардами нулей!

Самое важное за всю историю Земли - это, конечно, появление первых форм живого и взаимодействие их с поверхностью планеты. За те 4 млрд лет, прошедшие с тех пор, как земная поверхность стала подходящим субстратом для существования жизни, на ней произошли грандиозные изменения. И начало им было положено в то неопределенно далекое время, когда началась дифференциация живого и неживого.

 

7.2. УЧЕНИЕ В.И. ВЕРНАДСКОГО О БИОСФЕРЕ

 

Одним из выдающихся естествоиспытателей, который посвятил себя изучению процессов, протекающих в биосфере, был академик Владимир Иванович Вернадский. Он стал основоположником научного направления, названного им биогеохимией, которое легло в основу современного учения о биосфере.

В XIX веке в России постепенно складывалось представление о единстве человека и природы, о тех проблемах, с которыми неизбежно столкнется человечество при необузданном стремлении всецело подчинить себе природу. Вообще идея цельного знания, основанного на органической полноте жизни, принадлежит русской философии. Она легла в основу направления общественной жизни, получившего название «русский космизм». Именно тогда в научной среде засверкали имена психолога и физиолога И.М.Сеченова, химиха Д.И.Менделеева, почвоведа В.В.Докучаева, основоположника космонавтики К.Э.Циолковского. К плеяде этих выдающихся ученых принадлежит и В.И.Вернадский.

Владимир Иванович уже в гимназические годы проявлял большой интерес к естественным наукам: химии, зоологии, ботанике. На свое семнадцатилетие Володя попросил отца подарить ему английское издание одной из книг Ч.Дарвина. И поэтому вполне логичным шагом было поступление его на естественное отделение физико-математического факультета Петербургского университета, где читали лекции такие корифеи науки как А.М. Бутлеров, Д.И. Менделеев, С.П. Костычев, В.В. Докучаев, И.М. Сеченов. Находясь под влиянием идей В.В. Докучаева, Вернадский стал специализироваться по минералогии. Еще один его учитель - Д.И. Менделеев ввел его в мир химии, вернее, Вернадскому открылась химическая сторона жизни природы.

После окончания университета Владимир Иванович был оставлен для подготовки к профессорскому званию и назначен хранителем минералогического кабинета университета. После двухлетней заграничной командировки по странам Европы в 1891 г. он защищает магистерскую диссертацию о роли глинозема в силикатах, а в 1897 г. - докторскую диссертацию на тему «О явлении скольжения кристаллического вещества».

В начале XX века В.И. Вернадским были подняты проблемы совместной эволюции человека и биосферы с позиции развития Земли как космического тела. Уже в то время ученый был одержим идеей познать и раскрыть роль человека в естественноисторическом процессе. К этому периоду он завершил создание своей «биогеохимии». Зерна, брошенные В.В. Докучаевым и Д.И. Менделеевым дали первые ростки.

Кстати, термин «геохимия» появился еще в 1842 г. с легкой руки швейцарского химика Кристиана Фридриха Шёнбейна. Геохимия занималась изучением процессов трансформации вещества земной коры, историей преобразования тех или иных геологических пород. В.И. Вернадский ввел в геохимию исторический принцип. Его исследования привели к осознанию роли жизни и живого вещества в геологических процессах. Облик Земли, ее атмосфера, осадочные породы, ландшафты - все это результат жизнедеятельности. Особую роль в становлении лика нашей планеты В.И. Вернадский отводил человеку. Он представил деятельность человечества как стихийный природный процесс, истоки которого теряются в глубинах истории.

Будучи глубоким теоретиком, В.И. Вернадский стоял у истоков таких новых и общепризнанных ныне наук, как радиогеология, биогеохимия, учение о биосфере и ноосфере и науковедение.

В 1926 г. В.И. Вернадский опубликовал в Ленинграде книгу под названием «Биосфера», которая ознаменовала рождение новой науки о природе, о взаимосвязи с ней человека. В этой работе биосфера впервые показана как единая динамическая система, населенная и управляемая жизнью, живым веществом планеты. «Биосфера - организованная, определенная оболочка земной коры, сопряженная с жизнью». В работах по биосфере ученый показал, что взаимодействие живого вещество с веществом косным есть часть большого механизма земной коры, благодаря которому происходят разнообразные геохимические и биогенные процессы, миграции атомов, осуществляется их участие в геологических и биологических циклах.

В.И. Вернадский, впервые показал, что химическое состояние наружной коры нашей планеты всецело находится под влиянием жизни и определяется живыми организмами, с деятельностью которых связан великий планетарный процесс - миграция химических элементов в биосфере. Эволюция видов, отмечал ученый, приводящая к созданию форм жизни, устойчива в биосфере и должна идти в направлении увеличения биогенной миграции атомов.

Биосфера представляет собой сложнейшую планетарную оболочку жизни, населенную организмами, составляющими в совокупности живое вещество. Это самая крупная (глобальная) экосистема Земли - область системного взаимодействия живого и косного вещества на планете. Совокупная деятельность живых организмов в биосфере проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба.

Биосфера охватывает нижниюю часть атмосферы до высоты озонового экрана (20-25 км), верхнюю часть литосферы (кора выветривания) и всю гидросферу до глубинных слоев океана. В.И. Вернадский отмечал, что «пределы биосферы обусловлены прежде всего полем существования жизни». На развитие жизни, а следовательно, и границы биосферы оказывают влияние многие факторы и прежде всего наличие кислорода, углекислого газа, воды в ее жидкой фазе. Ограничивают область распространение жизни и слишком высокие или низкие температуры. Элементы минерального питания также влияют на развитие жизни. К ограничивающему фактору можно отнести и сверхсоленую среду (превышение концентрации солей в морской воде примерно в 10 раз). Лишены жизни подземные воды с концентрацией солей свыше 270 г/л.

В планетарной биосфере выделяют континентальную и океаническую биосферы, которые отличаются геологическими, географическими, экологическими, биологическими, физическими и другими условиями. Нижний предел распространения живого ограничивается дном океана (глубина около 11 км) или изотермой в 100оС в литосфере (по данным сверглубокого бурения на Кольском полуострове, эта цифра составляет около 6 км). Фактически жизнь в литосфере прослеживается до глубины 3-4 км. Таким образом, вертикальная мощность океанической биосферы составляет 11 км. Вверх, в атмосферу, биосфера простирается не выше наибольших плотностей озонового экрана, что составляет 22-24 км. Следовательно, предел протяженности биосферы выражается цифрой 39-40 км.

На основе работ В.И. Вернадского и других исследователей, внесших большой вклад в изучение биосферы планеты, предлагается различать три основные ее формы:

1. Формы биологической систематики, включающие популяции, виды, роды, семейства и др., принятые в ботанике и зоологии.

2. Биогеографические формы - территории, характеризующие географическое распространение и распределение растений и животных, специфику флоры и фауны. Это биогеографические зоны, области и т.д. Отдельно выделяются ботанико-географические и зоогеографические территории, дающие представление о составе и характере флоры и фауны.

3. Экологические формы, известные под названиями экосистем (биогеоценозов), экотопов, биотопов и др.

Напомним, что биотоп - это участок с однородными экологическими условиями, занятый определенными биоценозами, экотоп - это местообитание сообщества. В отличие от биотопа, понятие "экотоп" включает внешние по отношению к сообществу факторы среды. Это совокупность абиотических условий неорганической среды данного участка, представляющего собой местообитание конкретного сообщества. Экологические формы определяют специфику изучения биосферы в экологических аспектах.

Вещественный состав биосферы также разнообразен. В.И.Вернадский включает в него семь глубоко разнородных, но геологически не случайных частей:

■ живое вещество;

■ биогенное вещество - рождаемое и перерабатываемое живыми оганизмами (горючие ископаемые, известняки и т.д.);

■ косное вещество (образуемое без участия живых организмов твердое, жидкое и газообразное);

■ биокосное вещество - косное вещество, преобразованное живыми организмами (вода, почва, кора выветривания, илы);

■ вещество радиоактивного распада (элементы и изотопы уранового, ториевого и актиноуранового ряда);

■ рассеянные атомы земного вещества и космических излучений;

■ вещество космического происхождения в форме метеоритов,

космической пыли и др.

В строении и морфологии биосферы исключительно важное значение для развития живого вещества имеют следующие ее элементы (сверху вниз):

■ слой живого вещества, так называемая "пленка жизни";

■ педосфера, или почвенный покров;

■ ландшафтно-экологические системы - функциональные системы, включающие живые организмы и среду их обитания; - кора выветривания, т.е. зона разрушения и преобразования горных пород, их минерально-геохимических изменений в верхней части земной коры под воздействием различных факторов;

■ древняя биосфера (палеобиосфера) - комплекс горных пород, рельефа и других ландшафтных компонентов, залегающих ниже современной биосферы и погребенных под ее новейшими образованиями. Это горные породы, рудные и нерудные минералы, химические элементы, широко используемые в промышленности;

■ многочисленные минералы верхней части земной коры и биосферы: глины, известняки, бокситы и т.д.;

■ природные воды осадочной оболочки;

■ миллионы органических и органоминеральных соединений: уголь, графит, гумусовые вещества, нефть, природные газы; - минеральные ресурсы биосферы и земной коры, распространенные в форме свободных элементов: меди, серебра, золота, висмута, платины и т.д. Все они главный источник сырья для металлургии, химической промышленности и многих других отраслей. Их добыча и использование в экономике из год от года растут.

Из сказанного вытекает, что биосфера является результатом сложнейшего механизма геологического и биологического развития и взаимодействия косного и биогенного вещества. С одной стороны, это среда жизни, а с другой - результат жизнедеятельности. Главная специфика современной биосферы - это четко направленные потоки энергии и биогенный (связанный с деятельностью живых существ) круговорот веществ.

Разрабатывая учение о биосфере В.И. Вернадский пришел к выводу, что главным трансформатором космической энергии является зеленое вещество растений. Только они способны поглощать энергию солнечного излучения и синтезировать первичные органические соединения. Для объяснения большой суммарной энергии биосферы ученый произвел расчеты, которые действительно показали огромное значение фотосинтезирующих растений в создании общей органической массы. Ученый подсчитал, что поверхность Земли составляет меньше одной десятитысячной поверхности Солнца. Общая же площадь трансформационного аппарата зеленых растений в зависимости от времени года составляет уже от 0,86 до 4,2% площади поверхности Солнца. Разница колоссальная. Этот зеленый энергетический потенциал и лежит в основе сохранения и поддержания всего живого на нашей планете.

В.И. Вернадский, так же, как и Ламарк 140 лет назад, попытался дать главные исчерпывающие признаки каждого царства живого. И чем больше он вникал в проблему, тем более ясно становилось, что вырисовывается новый разрез мира. В.И. Вернадский составил таблицу из 16 пунктов, где рассмотрел несходство живого и неживого в физическом, химическом и термодинамическом сысле.

Анализ таблицы показывал, что в природе нет никаких переходов от неживого к живому: онинастолько противоречивы, что живое ни при каких условиях не может происходить из неживого. Организм и косную материю разделяет непроходимая стена. Принцип итальянского естествоиспытателя и врача Франческо Реди, гласящий, что живое происходит только от живого, между живым и неживым веществом проходит резкая граница, хотя и имеется постоянное взаимодействие, - получил свое подтверждение.

 

7.3. ЖИВОЕ ВЕЩЕСТВО ПЛАНЕТЫ.

ФУНКЦИИ ЖИВОГО ВЕЩЕСТВА

Одна из особенностей живого вещества – в том, что оно выполняет химические реакции с замечательной точностью и упорядоченностью и в гораздо менее жестких условиях, чем при производстве веществ чисто химическими методами.

Александер Тодд

Учение о живом веществе является одним из центральных звеньев концепции биосферы. Исследуя процессы миграции атомов в биосфере, В.И. Вернадский… Тогда же ученый впервые высказал мысль о совместном нахождении химических… Итак, живое вещество биосферы - это совокупность всех ее живых организмов. Главное предназначение живого вещества и…

Мировая хартия охраны природы” ООН

Многие экологи считают, что несмотря на повсеместное употребление термина «биологическое разнообразие», как понятие оно не сформировалось до сих… Наиболее распространен взгляд на биоразнообразие как совокупность видового… Однако многие экологи считают, что в общую структуру биоразнообразия следует включать не только организменное…

Рис. Структура и уровни биоразнообразия

Биоразнообразие характеризует процесс реальной эволюции, который идет на многих уровнях организации живого. По оценкам ученых, общее число видов живых существ составляет от 5 до 30 млн. Из них в настоящее время описано не более 1,5 млн. (рис. ).

 

Рис. Число живущих видов (всего 1 413 000 видов) всех классов организмов, известных к настоящему времени (в соответствии с основными группами.

 

Число известных ученым видов живых организмов колеблется по подсчетам разных ученых и научных организаций. В качестве примера можно привести количество описанных видов живых организмов по мнению специалистов ЮНЕП – программы ООН по окружающей человека среде (табл. 10).

 

Таблица 10. Расчетное количество описанных видов на 2000 год

 

Царство Описание вида
 
Бактерии 4 000
Водоросли и простейшие 80 000
Животные: позвоночные 52 000
Животные: беспозвоночные 1 272 000
Грибы 72 000
Растения 270 000
 
Всего описанных видов 1 750 000
Возможное количество, включая неизвестные виды 14 000 000
 
Источник: UNEP-WCMC 2000

 

Разнообразие доминирует среди насекомых и высших растений из живущих видов всех организмов, зарегистрированных к настоящему времени, но обширные множества видов остается неоткрытыми среди бактерий, грибов и других малоизученных групп. Общее количество организмов всех жизненных форм колеблется между 10 и 100 миллионами видов (по Wilson, 1992).

О полезных свойствах большинства организмов мы знаем очень немного. В активе человечества, например, всего около 150 видов культурных растений, которые находят широкое применение, а из 265 тыс. видов всех растительных организмов только 5 тыс.видов когда-либо возделывались человеком. В еще меньшей мере учитывается разнообразие микроорганизмов и грибов. Между тем в настоящее время насчитывается около 65 тыс. видов грибов. А много ли мы их используем?

Разнообразие живой природы является основным индикатором влияния человеческой деятельности на живое окружение. С началом развития промысла крупных млекопитающих и птиц, а затем с возникновением земледелия человек вторгся в естественные, созданные природой замкнутые циклы. В каждом таком цикле любой вид живых организмов выполняет свою роль и все они находятся в неразрывной связи. Стараясь изменить природные условия, человек вступил в конфликт с силами естественной саморегуляции. Одним из результатов такого конфликта явилось снижение биологического разнообразия природных экосистем. В настоящее время число видов на Земле стремительно уменьшается. Ежедневно исчезает от 1 до 10 видов животных и еженедельно — 1 вид растений. Гибель одного вида растений ведет к уничтожению примерно 30 видов мелких животных (прежде всего насекомых и круглых червей — нематод), связанных с ним в процессе питания. Есть угроза, что в ближайшие 20-30 лет мы потеряем около 1 млн. видов. Это будет серьезным ударом по целостности и стабильности нашего природного окружения (табл. 11).

 

Таблица 11. Сокращение видового разнообразия Земли после 1600 года

 

компоненты биосферы Исчезло под угрозой исчезновения
Видов % от общего числа видов Видов % от общего числа видов
Высшие растения 0,15 18 699 7,4
Рыбы 0,12 1,6
Амфибии 0,05 1,1
Рептилии 0,33 21,5
Птицы 1,23 10,0
Млекопитающие 1,99 10,0

Современная природоохранная деятельность ориентирована прежде всего на сохранение многообразия форм жизни на Земле. Совокупность видов живых организмов на нашей планете создает особый фонд жизни, который называется генофондом. Это понятие несколько шире, чем просто совокупность живых существ. Оно включает в себя не только проявившиеся, но и потенциальные наследственные задатки каждого вида. Мы еще не все знаем о перспективах использования того или иного вида. Существование какого-то организма, кажущееся сейчас ненужным, в будущем может оказаться не только полезным, но и, быть может, спасительным для человечества.

Конечно, не каждый вид растения или животного имеет сейчас практическую ценность именно. Может быть, только в будущем человек откроет в них какие-либо полезные качества. Пример тому - открытие одного ценнейшего лекарства. Кто бы мог подумать, что неприметная, да и в какой-то мере вроде бы и вредная грибная плесень из рода Penicillium окажется исключительно важной для рода человеческого. А ведь именно она послужила первоосновой для создания Александром Флемингом лекарства пенициллина, которое спасло миллионы человеческих жизней. Многие виды животных, как, например броненосец и белый медведь, неожиданно также оказались полезными для научных исследований как объекты экспериментов и ключ к техническим новшествам. Броненосцы - единственные живые существа, не считая человека, подверженные заболеванию проказой. Теперь они стали неоценимыми помощниками в поисках средств исцеления от этой болезни. Недавно было обнаружено, что шерсть белого медведя является исключительно эффективным поглотителем тепла. Мех белого медведя, отражая видимый свет, одновременно обладает свойством превращать в тепло до 95% попадающих на него солнечных лучей. Это дало в руки исследователям ключ к созданию материалов для изготовления более совершенной одежды, удерживающей тепло, и коллекторов солнечной энергии.

Разнообразие живой природы является основным индикатором влияния человеческой деятельности на живое окружение. С началом развития промысла крупных млекопитающих и птиц, а затем с возникновением земледелия человек вторгся в естественные, созданные природой замкнутые циклы. В каждом таком цикле любой вид живых организмов выполняет свою роль и все они находятся в неразрывной связи. Стараясь изменить природные условия, человек вступил в конфликт с силами естественной саморегуляции. Одним из результатов такого конфликта явилось снижение биологического разнообразия природных экосистем. В настоящее время число видов на Земле стремительно уменьшается. Есть угроза, что в ближайшие 20-30 лет мы потеряем около 1 млн видов. Это будет серьезным ударом по целостности и стабильности нашего природного окружения.

Биологическое разнообразие в условиях усиления хозяйственной и техногенной деятельности человека зависит от степени развития научно обоснованной и эффективной сети охраняемых территорий. Для сохранения биоразнообразия видов необходимо сохранить разнообразие экосистем, и наоборот, поддержание экосистем в естественном состоянии невозможно без сохранения их видового разнообразия. Главная проблема охраны природы в настоящее время - не защита какого-то количества видов растений или животных от угрозы исчезновения, а сочетание высокого уровня продуктивности с сохранением в биосфере широкой сети центров генетического разнообразия. Биологическое разнообразие фауны и флоры обеспечивает нормальный круговорот веществ, устойчивое функционирование экосистем. Если страны смогут решить эту важную экологическую задачу в будущем можно рассчитывать на производство новых продуктов питания, лекарственных средств, сырья для промышленности.

В «Конвенции о биологическом разнообразии», принятой 5 июня 1992 г. в качестве основной цели провозглашается «сохранение биологического разнообразия, устойчивое использование его компонентов и совместное получение на справедливой и равной основе выгод, связанных с использованием генетических ресурсов».

Для контроля и сохранения биологического разнообразия ландшафтов умеренной природной зоны разрабатывается и внедряется комплекс относительно недорогостоящих мероприятий. Прежде всего это выделение участков, на которых сохраняются в неприкосновенности места обитания диких животных. В естественных лесах обитают более разнообразные популяции диких животных, чем в лесонасаждениях столетней давности. В наибольшей степени исчезновение диких видов растений и животных связано с уничтожением тропических лесов. Примерам здесь не счесть числа. Так, ареал оранжевой жабы (Bufo periglenes) – вершина одной единственной горы в Коста-Рике. Лес на этой территории может быть уничтожен всего за несколько часов. Вслед за исчезновением растительности золотистой жабе и подобным эндемикам (виды с крйне узким ареалом, ограниченные в своем распространении отдельной областью или страной) придет конец.

Еще один пример касается миниатюрного филиппинского долгопята – одного из самых маленьких представителей отряда приматов. Он обитает на острове Бохоль. В настоящее время популяции филиппинских долгопятов угрожает исчезновение из-за непрекращающейся вырубки лесов на осровах филиппинского архипелага.

При вырубке лесов необходимо стремиться к сохранению отдельных деревьев самых различных видов и возрастов. Даже несколько старых омертвевших деревьев играют важную роль в сохранении отдельных видов насекомых и птиц.

Можно создать условия для обитания птиц и животных под опорами линий электропередач, в старых заброшенных карьерах, путем посадки деревьев и кустарников на крутых откосах, малопригодных для сельскохозяйственного использования, и т.д. Важно сохранять также небольшие, площадью всего несколько квадратных метров, заболоченные участки и влажные луга, которые являются местом распространения ряда видов растений.

Особые требования предъявляются к естественным и искусственным водоемам. Берега должны иметь неправильную форму и полого погружающееся дно, что, с одной стороны, содействует развитию водных растений, с другой - обеспечивает диким животным защиту и укрытие.

Все эти комплексные мероприятия могут в значительной степени содействовать сохранению флоры и фауны даже в густонаселенных районах. Так, в условиях больших городов можно создавать искусственные экосистемы, сохраняя пустыри с комплексом растений, птиц и насекомых.

Проблема сохранения биологического разнообразия живых организмов планеты в настоящее время является наиболее острой и значимой для человечества. От того, как и каким образом будет решена эта проблема, зависит возможность сохранения жизни на Земле и самого человечества как части биосферы.

 

7.5. БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ ВАЖНЕЙШИХ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В БИОСФЕРЕ

 

Глобальный биогеохимический круговорот в биосфере не является целиком замкнутым. В отдельных случаях степень повторяющегося воспроизводства некоторых циклов составляет 90-98%. Такая неполная замкнутость биогеохимических циклов в масштабах геологического времени приводит к дифференциации элементов и накоплению их в различных природных сферах Земли.

Непрерывному круговороту в биосфере Земли подвергаются только вещества. Когда речь идет об энергии, можно говорить только о ее направленном потоке. Передаваясь по трофическим цепям, энергия постепенно рассеивается. Частично она накапливается в земной коре в алюмосиликатах в результате разложения органических остатков.

Обновление живого вещества биосферы происходит за 8 лет. Фитомасса суши (биомасса наземных растений) обновляется за 14 лет. Масса живого вещества океана обновляется за 33 дня, а его фитомасса - за один день. Полная смена вод в гидросфере осуществляется за 2800 лет, смена кислорода в атмосфере - за несколько тысяч лет (до 3000), а углекислого газа - за 6,3 года. Общепланетные климатические и геохимические циклы, охватывающие атмосферу, океан, толщу донных осадков и кору выветривания, протекают крайне медленно и исчисляются сотнями тысяч и миллионами лет. (Здесь следует заметить, что вмешательства человека, происходящие в крайне короткие сроки, искусственно интенсифицируют эти процессы, что чревато тяжелыми процессами).

Развитие и функционирование живого вещества изменили океан, атмосферу, поверхность земной коры, привели к образованию почвенного покрова. Почва вместе с растениями и животными образует на суше сложную экологическую систему, которая связывает и перераспределяет солнечную энергию, углерод атмосферы, влагу, кислород, водород, фосфор, азот, серу, кальций и другие элементы-биофилы. Те же функции выполняет и мировой океан с водными растениями и планктоном. Жизнедеятельностью растительных организмов и их взаимодействием с животными, микроорганизмами и неживой природой обеспечивается механизм фиксации, накопления и перераспределения космической энергии, поступающей на Землю. Эта энергия аккумулируется в органических соединениях, слагающих биомассу живого вещества.

За миллиарды лет эволюции Земли на нашей планете сложились великий биогеохимический круговорот и дифференциация химических элементов в природе. На первых этапах своей истории человек стал звеном этого круговорота веществ и потока энергии вместе с животным населением. Однако в настоящее время хозяйственная деятельность человека привносит значительные изменения в биогеохимические циклы элементов в биосфере. Например, в результате производства удобрений азот атмосферы возвращается в почвы в размерах, превышающих его биологическую фиксацию. Рассеянные в виде следов ртуть, свинец, кадмий добываются, концентрируются и включаются в больших количествах в биосферу.

Элементами круговорота веществ в природе являются:

- регулярно повторяющиеся или непрерывно текущие процессы переноса энергии, образование и синтез новых соединений;

- постоянные или периодические процессы переноса и перераспределения энергии и процесса выноса и перемещения синтезированных соединений;

- направленные процессы последовательного преобразования, разложения и деструкции синтезированных ранее соединений под влиянием биогенных или абиогенных воздействий среды;

- постоянное или периодическое образование простейших минеральных и органоминеральных компонентов в газообразном, жидком или твердом состоянии.

Важнейшую роль в биосфере играют биогеохимические круговороты таких элементов, как углерод, кислород, азот, фосфор, сера.

Круговорот углерода. В наиболее общем виде его можно представить как процесс освобождения и связывания диоксида углерода (СО2), включая его растворение в воде океанов. В.И.Вернадский в своем труде о биосфере писал: "Преобладающее, особое значение атомов углерода свойственно не только живым организмам, это свойство биосферы, ее живой и косной материи, до известной степени всей земной коры". С углеродом связан процесс возникновения и развития жизни на Земле. По распространению углерод занимает на планете одиннадцатое место. В атмосфере его содержится 0,046% в форме углекислого газа и 0,00012% в форме метана; в земной коре - 0,35% и в живом веществе - около 18%. Он вовлекается в цепь непрерывных реакций и биогеохимических круговоротов, соединяясь с большинством элементов самыми разнообразными способами. В то же время связь атомов углерода между собой и с другими атомами (кислорода, водорода, серы, фосфора и др.) может быть разрушена под воздействием природных факторов.

Предполагается, что углерод распределен в довольно тонком слое земной коры, в атмосфере - в виде диоксида и оксида углерода, и в животной и растительной биомассе. Основные запасы углерода в природе содержатся в минералах и горных породах ( в известняках и доломитах), в основном в форме карбонатов (СаСО3) и гидрокарбонатов (Са(НСО3)2), представляющих собой растворимые и нерастворимые донные отложения в Мировом океане, накопившиеся за миллионы лет геологической истории Земли. Этот процесс продолжается и в настоящее время. Углекислый газ, содержащийся в воздухе и растворенный в воде, составляет запас углерода, участвующего в создании биомассы. Содержание СО2 в атмосфере не стабильно, оно составляет менее одного процента. Оно нестабильно и подвержено сезонным изменениям. В настоящее время наблюдается его увеличение, связанное с антропогенным фактором. Если сто лет назад содержание углекислого газа составляло примерно 270 частей на миллион, то сегодня эта цифра выросла до 350 частей на миллион.

Постепенно растет (на 1-2% ежегодно) содержание в атмосфере метана и оксида углерода, что тоже связано с сельским хозяйством и энергетикой. В тех районах, где в процессе выработки энергии потребляется большое количество ископаемого топлива, зарегистрирован небольшой, но неуклонный рост концентрации оксидов азота и серы.

Если сравнить содержание диоксида углерода в водах (реки, озера, моря), атмосфере и океане, то окажется, что Мировой океан содержит более 98% общего запаса СО2 углерода атмосферы и гидросферы.

Следует подчеркнуть, что цикл биологического круговорота углерода не замкнут. Углерод может выходить из него на довольно длительный срок в виде карбонатов, торфов, сапропелей, гумуса и других органических осадков. В разных циклах биологического круговорота участвует около 98-99% ассимилированного углерода.

Огромную роль в круговороте углерода играют зеленые растения. В процессе фотосинтеза диоксид углерода из атмосферы ассимилируется растениями и превращается в углеводы. В процессе же дыхания происходит обратный процесс: углерод органических соединений превращается в углекислый газ.

Ежегодно наземные растения связывают около 18 млрд т углерода, растения морей - 25 млрд т. Еще одним мощным утилизатором углерода являются морские организмы. Они используют соединения углерода для образования скелетов. В дальнейшем остатки отмерших морских организмов опускаются на дно морей и океанов и образуют мощные отложения известняков.

Давайте проследим "путешествие" атома углерода, одного из мириад себе подобных, в биосфере. Представьте себе извержение вулкана. Наконец-то для нашего атома закончилось время заточения глубоко в недрах Земли и он вырывается на свободу в атмосферу. В виде молекулы углекислого газа, связанный с атомами кислорода, Он беззаботно "плавает" в атмосфере в течение нескольких лет. И вот однажды прекрасный растение или кудрявое дерево бесцеремонно захватывает его, вовлекает в процесс фотосинтеза и превращает в более восстановленную химическую форму. Если же наш атом будет проплывать над океаном, то, скорее всего, попав в толщу воды, он превратится в ион бикарбоната и будет блуждать тысячи лет между атмосферой, почвами и океаном. В конце концов свобода обернется для него захоронением в океанических отложениях, где наш углерод, лишенный движения, просуществует в течение ста миллионов лет или более.

Подсчитано, что среднестатистический атом углерода за всю историю Земли (4-4,5 млрд лет) мог совершить до 20 таких путешествий между осадочными породами и атмосферой.

Судьба углерода непосредственно связана с судьбой кислорода, поскольку на каждую молекулу кислорода должна где-то существовать и молекула восстановленного углерода. Это позволяет оценивать запасы углерода в биосфере величиной порядка 2.1015-2.1016 т. Казалось бы, такого количества углерода должно хватить на многие миллионы лет. Так оно и есть. Сложность, однако, в том, что большая часть этого элемента распылена. А то, что мы извлекаем на поверхность Земли в виде угля, нефти и других полезных ископаемых, это лишь малая доля общего количества восстановленного углерода в осадочных породах.

В воде углекислый газ растворяется в 35 раз лучше, чем кислород, и от его содержания зависит количество растворенных гидрокарбонатов, т.е. жесткость воды. Если содержание СО2 в воде уменьшается, то выпадает осадок нерастворенного карбоната, который растворится при восстановлении равновесия между углекислым газом и гидрокарбонатом.

В технике и быту нарушение углекислотного равновесия приводит к образованию накипи в котлах ТЭЦ, котельных и других системах, использующих воду. В природных условиях результатом этой реакции является образование полостей в земной коре, сталактитов и сталагмитов.

Круговорот кислорода. Этот цикл очень сложен из-за большого числа его участников. В него вовлечено большое количество представителей органического и неорганического мира, а также водород и вода, растворяющая кислород. Кислород постоянно циркулирует в океане, биосфере и осадочных породах. Содержание кислорода в воде зависит от его растворимости на поверхности и от интенсивности фотосинтеза водорослями. Загрязнение воды взвешенными частицами уменьшает ее прозрачность, увеличивает рассеяние света и снижает активность фотосинтеза. Содержание кислорода в воде является одним из показателей ее здоровья. По данным замеров в большинстве наших водоемов эта величина сейчас ниже нормы.

В процессе сгорания топлива образуется довольно большое количество воды, которая в конечном счете потребляется растением и разлагается в процессе фотосинтеза на атомарный водород и атомарный кислород. Высвободившийся кислород снова поступает в атмосферу и используется для создания органического вещества. Круг замкнулся.

Итак, главным производителем животворного кислорода является зеленое вещество растений. Растения - единственные естественные накопители космической солнечной энергии. Главные же потребители его - живые организмы: человек, животные, почвенные организмы и сами растения, которые используют кислород в процессе дыхания. Причем, если на заре человечества кислород в основном тратился человеком на дыхание, то в наше время научно-технических революций огромная масса кислорода идет на обеспечение промышленного производства, хозяйственной деятельности человека и средств коммуникации. В огромных количествах истребляет человек драгоценный кислород при сжигании топлива в двигателях автомобилей, самолетов, кораблей, сельскохозяйственных машин, топках электростанций и т.д.

Одной из самых негативных сторон современной цивилизации является то, что темпы хозяйственной деятельности человека увеличиваются, а зеленые площади Земли сокращаются. Нещадно вырубаются тропические леса, которые являются основным поставщиком кислорода - "легкими нашей планеты". В мире в целом ежегодно исчезают лесные территории плошадью в три Бельгии. И мы, жители Земли, все меньше получаем кислорода. Леса тропиков вырубаются сейчас со скоростью 23 га в минуту, т.е. более трети гектара в секунду! А между тем каждый гектар тропического леса продуцирует 28 т кислорода.

Взрослое дерево за сутки производит 180 л кислорода, а взрослый человек потребляет его в количестве 360 л, если ничего не делает, и до 700-900 л, когда работает. Но это сущий пустяк по сравнению с легковым автомобилем, который за 1000 км пробега расходует столько кислорода, что его хватило бы человеку на год! Однако и это покажется малостью по сравнению с тем, что современный реактивный самолет за время перелета человека из Америки в Европу сжигает от 35 до 55 т кислорода.

Таким образом, деятельность человека во всех ее проявлениях значительным образом влияет на современный круговорот кислорода. Общее количество свободного кислорода в атмосфере оценивается цифрой 1,8.1015 т. Это именно то количество, которое накопилось благодаря деятельности зеленых растений. В год на современном этапе эволюции Земли продуцируется 1,55.109 т кислорода, а расходуется 2,16.1010 т. Из приведенных цифр видно, что расход кислорода превышает его образование более чем на порядок. Есть над чем задуматься.

Круговорот азота. Особое место среди биогенных элементов занимает азот - важный строительный материал для белков, нуклеиновых кислот и других соединений. Азот распространен в биосфере крайне неравномерно. В больших количествах он содержится в биогенных ископаемых (уголь, нефть, битум, торф). Вследствие высокой растворимости солей азотной кислоты и солей аммония содержащегося в почвах азота, как правило, недостаточно для нормального питания растений. В почве его содержится всего от 0,02 до 0,5%, и то лишь благодаря деятельности микроорганизмов некоторых растений и разложению органических веществ. В то же время, миллионы тонн атмосферного азота "давят" на поверхность Земли. Над каждым гектаром почвы, образно говоря, висит до 80 тыс. т азота. Недаром его называют инертным газом (в переводе с греческого "безжизненным"). Почему же так получается? Дело в том, что в воздухе азот находится в молекулярном состоянии, то есть в бездействии. Элементом жизни он становится только в химических соединениях - легкорастворимых азотнокислых и аммиачных солях. Несмотря на то что азота в атмосфере очень много (78%), большинство организмов не в состоянии ассимилировать его. Азот практически не участвует в геохимических процессах и лишь накапливается в атмосфере.

Пути поступления азота в почву различные. Прежде всего это выпадение его из атмосферы вместе с дождевыми водами, главным образом во время гроз. Небольшая часть азота поступает при вулканических извержениях. Еще один источник - биологическая фиксация газообразного азота из атмосферы микроорганизмами, клубеньковыми бактериями и цианобактериями. И, наконец, почва обогащается азотом в результате разложения органических соединений. Все это происходит естественным путем. Между тем имеется еще один мощный источник азота - это различные азотсодержащие удобрения. В мире ежегодно производится и вносится в почву 30-40 млн т азота в виде минеральных удобрений. Азотные удобрения уже составляют до 30% общих поступлений азота на сушу и в океан.

Буквально купаясь в атмосфере азота, растения не в состоянии извлечь его из атмосферы. Это свойство присуще живущим в клубеньках некоторых из них азотфиксирующих бактерий. Такой особенностью обладают, в частности, арахис, соя, чечевица, фасоль, люцерна, клевер ползучий, люпин и другие виды. Основными азотфиксаторами являются бактерии рода Rhizobium. Они поселяются в клубеньках, образующихся на корнях бобовых, и повышают плодородие почвы, обогащая ее азотистыми основаниями. Азот усваивается растениями в виде нитратов и нитритов. Затем он передается по пищевым цепям. А когда после отмирания организмов их остатки разлагаются бактериями, азот частично переходит в почву в виде солей, а частично возвращается в атмосферу в молекулярной форме. Небольшая часть азота снова переводится в аммиак и нитраты и может быть усвоена растениями.

В атмосферу азот поступает благодаря деятельности почвенных и водных бактерий, которые разрушают нитраты. Этот процесс называется денитрификацией. Из атмосферы азот поглощает другая группа микроорганизмов - азотфиксирующие бактерии (в этом процессе могут участвовать и водоросли).

Круговорот фосфора. Биологическое и биохимическое значение фосфора в жизни живой клетки, организмов, экосистем и биосферы в целом исключительно велико. Фосфор входит в состав тканей мозга, скелета, панцирей животных. Без фосфора невозможен синтез белка. Так же как кислород, углерод и азот, фосфор является биофилом и его биогеохимический круговорот протекает совместно с этими элементами. В биосфере преобладают соединения пятивалентного фосфора, поэтому обычно во всех источниках приводится содержание его оксида Р2О5.

Среднее содержание фосфора в земной коре составляет 0,09%. Основные запасы его находятся в горных породах земной коры, в донных отложениях морей и океанов, в гумусовом горизонте наземных и подводных почв. Главное геохимическое направление мирового круговорота соединений фосфора направлено в сторону озер, устьев рек, морей и шельфа океана.

Общие запасы фосфора в почве очень малы - 0,1-0,2% Р2О5. Из этого общего количества фосфора растениям относительно доступно только 10-20%, малодоступно - 50-60%, и практически недоступно - 20-40%. При высоких урожаях из гектара почвы извлекается до 60 кг Р2О5, а притока его из атмосферных осадков или биогенной фиксации из воздуха не существует. Поэтому даже на лучших почвах после 40-50 лет эксплуатации без внесения фосфорных удобрений урожайность сильно падает.

Исследования многих ученых показывают, что в почвах и водах суши и океана почти всегда ощущается дефицит фосфора. Поэтому соединения фосфора, как и азота, являются важнейшими минеральными удобрениями почв в современном земледелии. Дефицит фосфора для растений объясняется низкой физиологической доступностью его нерастворимых соединений и особенно необратимой фиксацией в почве самого фосфора. Более всего доступен растениям фосфор органических соединений и гумуса.

Живое вещество ненарушенной биосферы и экосистемы суши удерживают огромное количество фосфора. Есть данные, свидетельствующие о том, что в лесных подстилках содержание фосфора может достигать 100 кг/га. Гумусовая оболочка почвы является естественным аккумулятором соединений этого элемента. Содержание фосфора в почве значительно превышает таковое в земной коре. В связи с этим сведение лесов, уничтожение лесной подстилки и замена естественных лесных экосистем агроэкосистемами приводит к изменениям запасов фосфора и его круговорота в биосфере.

Круговорот серы. Сера также играет существенную роль в круговороте веществ в биосфере. Соединения серы участвуют в биохимических процессах живой клетки, формировании химического состава почв. В больших количествах содержатся в подземных водах. Основную роль в обменном фонде серы играют специализированные микроорганизмы. Каждый вид микроорганизмов выполняет определенную реакцию окисления или восстановления этого элемента.

В земной коре в среднем содержится 0,047% серы. В почвах, где сера присутствует преимущественно в виде сульфатов, ее количество может колебаться от 0,01 до 2-3%. В природе сера образует минералы, называемые сульфидами. Очень много серы в изверженных горных породах в виде сульфидных минералов. При окислении сульфидных минералов сера в виде иона SO42 попадает в Мировой океан, где поглощается морскими организмами. Отдельные виды морских обитателей известны как рекордсмены по накоплению серы (так, некоторые моллюски северных морей выделяют пищеварительными железами жидкость, в которой содержится до 4% серной кислоты). Круговорот серы в морской воде осуществляется с помощью сульфатредуцирующих бактерий, которые существуют в анаэробных (бескислородных) условиях. Они восстанавливают сульфаты морской воды до сероводорода, который поднимается в верхние толщи воды, и окисляется под действием кислорода, а также при участии аэробных сернистых бактерий. Некоторые бактерии способны концентрировать элементарную серу в своих организмах. После гибели таких бактерий она может накапливаться в значительных количествах на дне океана.

На суше сера после отмирания растений переходит в почву, где одни микроорганизмы восстанавливают органическую серу до минеральной, а другие окисляют эту минеральную форму до сульфатов. Последние поглощаются корнями растений, и сера снова вовлекается в круговорот.

Аналогично нитратам и фосфатам, сульфат серы является основной доступной формой этого элемента, которая восстанавливается автотрофными организмами и включается в белки. Круговорот серы является ключевым в общем процессе синтеза и разложения биомассы. В настоящее время техногенные выбросы серы в атмосферу земли достигают 75-100 млн т в год. Естественное ее поступление (в форме оксидов серы) оцениваются цифрами 80-280 млн т в год. Если брать нижние границы, то можно считать, что глобальный объем естественных выбросов серы примерно соответствует ее техногенным эмиссиям.

 

 

7.6. УЧЕНИЕ В.И. ВЕРНАДСКОГО О НООСФЕРЕ

 

С появлением на нашей планете одаренного разумом живого существа планета переходит в новую стадию своей истории. Биосфера переходит в ноосферу.

В.И.Вернадский

В 20-е годы нашего столетия В.И. Вернадский работал над проблемой химического строения биосферы Земли. Эволюция биосферы связывалась им с эволюцией… Смысл этого учения состоит в следующем. Появление на Земле человека означало… История человеческого общества изобилует различного рода экологическими кризисами. Такие кризисы всегда возникали там…

Марк Твен

Вопрос о разнокачественности живого и неживого тесно связан с вопросом об эволюции биосферы. Постоянен или нет общий вес живого вещества биосферы на… В.И. Вернадский постепенно пришел к выводу, что количество живого вещества не… Для XX века характерно прежде всего вторжение техники во все сферы человеческого общества и в биосферу. Этот процесс…

В.И.Данилов-Данильян

Перестройка биосферы и грядущее становление ноосферы ставит перед человечеством нелегкие задачи. Прежде всего это рациональное управление биосферой… К сожалению, в наше время эволюционное развитие взаимоотношений природы и… У экологических проблем современности есть отличительные признаки, которые придают им масштаб глобальности. Прежде…

Вернер фон Браун.

Одна из самых острых проблем современности - проблема народонаселения. За то время, которое вы потратите на прочтение этой фразы, население Земного… В наше время удвоение числа людей на планете происходит за 35 лет, а… Сейчас людей на планете около 6,3 млрд, и их численность увеличивается на 2 % в год. Ожидается, что к 2050 г. земную…

Ученые отмечают три глобальных всплеска численности населения планеты. Первый связан с освоением охоты на крупных животных и расселением охотников в конце плейстоцена. Второй произошел около 10 тыс. лет назад, после открытия земледелия, когда численность людей увеличилась в 20-30 раз. И всего несколько столетий назад, после начавшейся промышленной революции, начался третий период, продолжающийся до нашего времени.

В начале эпохи неолита (6—7 тыс. лет до н. э.) на Земле жило не более 10 млн. человек. К началу новой эры — не более 25 млн. Понадобилось 1,5 тысячелетия, чтобы численность на­селения увеличилась еще вдвое. Однако следующее удвоение произошло уже за два столетия, и к началу XIX века число жителей Земли приблизилось к 1 млрд. Новое удвоение заняло всего 120—130 лет. 2 млрд. людей стало уже в 20-е годы нашего столетия, и всего лишь за последние 50 лет население мира удвоилось еще раз и превысило 4 млрд. В 1980 году нас было 4,5 млрд.

К 1650 г. - условному началу промышленной революции - на Земле проживало 500 млн человек; к XIX в. - 1 млрд, в начале XX в. - 2 млрд. В докладе, составленном фондом народонаселения ООН за 1995 г. говорится, что в середине 1995 г. на земном шаре проживало 5,75 млрд человек. Эксперты ООН оценивают нынешний средний уровень прироста населения в мире существенно ниже ожидавшегося: 1,48% в год вместо 1,57%.

«Стабилизация произошла быстрее, чем мы думали», - заметил директор департамента ООН по проблемам народонаселения Джозеф Чами. На его взгляд, новой тенденцией мы обязаны эффективным программам планирования семьи во многих странах, более высокому экономическому и социальному статусу женщин. Падение роста населения Джозеф Чами объясняет также повышением уровня смертности в некоторых странах. В Африке рождаемость снизили войны и СПИД. Падает она в Восточной Европе и на территории бывшего Советского Союза, но уже по экономическим причинам.

Наиболее оптимистично настроенные демографы полагают, что в ближайшем будущем рождаемость в мире стабилизируется на уровне, обеспечивающем лишь обновление поколений без роста численности (2,1 ребенка на женщину). Уже сейчас уровень рождаемости в развивающихся странах снизился с 6,1 ребенка на каждую женщину в 50-х годах до 3,7.

Приемлемой считается численность населения Земли 8 млрд человек к 2050 г., вместо ожидаемых 10 млрд человек. Этой цели можно достичь увеличением ежегодных расходов на осуществление программ планирования семьи и выбором социальной политики. Важнейшим условием является повышение уровня образования женщин. Еще один эффективный фактор уменьшения размера семьи - гарантированное пенсионное обеспечение в старости.

На современную возрастную структуру населения Земли большое влияние оказывают новейшие достижения науки и медицины. Побеждены многие болезни, уносившие в прошлом тысячи и миллионы жизней: малярия, оспа, чума, холера, полиомиелит и др. Повсюду снизилась детская смертность. Достижения в медицине и фармацевтике, улучшение гигиенических и социальных условий постепенно способствовали ликвидации инфекций, сопровождавших человека с младенченства (в середине XVIII в. на первом году жизни умирало 250 из 300 детей, сейчас - только 5).

Наблюдающийся в наше время рост числа сердечно-сосудистых и раковых заболеваний (от инфаркта миокарда умирает до полумиллиона человек в год) специалисты связывают с возможностью большинства людей современности дожить до возраста, когда эти заболевания преимущественно проявляются.

 

7.10. СВЯЗЬ МЕЖДУ ЗАГРЯЗНЕНИЕМ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И ЗДОРОВЬЕМ ЧЕЛОВЕКА

 

Я понимаю и не спорю,

Что человек с природой в ссоре,

И всем живым несет он горе,

Внушает страх,

Хоть все мы смертные и вскоре

Вернемся в прах.

Роберт Бёрнс

 

Со временем развития темпов техногенеза в мире изменилось представление о некоторых заболеваниях. Раньше считалось, что инфаркт миокарда - это болезнь пожилых интеллигентных людей, малоподвижных, легкоранимых. И вот данные врачей, опубликованные в конце 80-х годов показали, что болезнь помолодела. Она начала поражать людей, труд которых связан с физическими напряжениями, например, шоферов. Экологи установили, что значительная доля вины в этом лежит на бензине. Свинец, содержавшийся в нем, поражал сосудистую систему. Отсюда болезнь.

Американские врачи, делавшие вскрытие своих солдат, погибших во время вьетнамской войны, и проходивших службу в десантных войсках, установили у многих из них начальные признаки атеросклероза. А ведь известно, что в армию США, а особенно в десант, попадали высокотренированные, физически здоровые солдаты.

Таким образом, развитие общества и всеобъемлющее техногенное воздействие привело к следующей парадигме: медицина без экологии становится бессильной. Медики пришли к выводу, что дальнейшее увеличение капиталовложений в медицину не приведет к снижению заболеваемостей. Поэтому ни увеличение койко-мест, ни применение новых лекарств, ни строительство больниц, ни тотальная диспансеризация населения не дадут положительного эффекта. Только здоровая полноценная среда обитания может обеспечить человеку здоровый образ жизни.

В 70-80-е годы в ФРГ нашумела история с препаратом талидомидом. Это средство успокаивало нервную систему. Однако, у применяющих препарат женщин, впоследствии рождались дети-уроды. Эксперты, вызванные в суд показали, что все компоненты этого препарата безвредны, и каждый из них вполне сочетался с естественными биологическими функциями. Однако, никто не мог предвидеть, что в процессе синтеза, в производственных условиях, наряду с левовращающимися сахарами нарабатывались правовращающиеся, что и явилось причиной патологии. Неправомерное вторжение человека в сокровенные тайны человеческого организма привели к трагедии.

Загрязнение окружающей среды напрямую влияет на здоровье людей. Медикам и экологам известно, что высокие концентрации сернистого ангидрида, окислов азота и взвешенных частиц оказывают негативное воздействие на человека. Считается, что минимальная потенциально опасная для здоровья человека концентрация сернистого ангидрида составляет 250 мкг/м3 в среднем за сутки или 100 мкг/м3 в среднем за долгосрочный период. Для двуокиси азота эти цифры составляют свыше 190-320 мкг/м3 в течение часа чаще одного раза в месяц.

Подкисление воды способно привести к экстрагированию различных металлов из водопроводных труб, сделанных из меди и гальванизированной стали.

По оценкам Всемирной организации здравоохранения, 80% всех болезней в мире связано с неудовлетворительным качеством воды. Болезни возникают из-за употребления загрязненной воды при питье, а также при несоблюдении санитарно-гигиенических требований из-за отсутствия воды.

Заболевания, вызванные нечистой водой, можно объединить в пять групп.

Группа первая объединяет заболевания при использовании зараженной воды для мытья посуды, продуктов, умывания. Это тиф, холера, дизентерия, гастроэнтерит (диарея вирусная) и инфекционный гепатит. Такая опасная болезнь, как гастроэнтерит ежегодно уносит жизни 6 миллионов детей и 18 миллионов взрослых в развивающихся странах. Смерть наступает в результате обезвоживания организма. Антисанитарные условия создают возможность легкого переноса ее от ребенка к ребенку.

Ко второй группе относятся заболевания кожи и слизистых оболочек, возникающие главным образом при умывании. Это трахома, чесотка, конъюнктивит, сепсис наружных покровов, язвы. Одна из болезней этой группы - трахома приводит к деформации края век, воспалению и помутнению роговицы. Следствием всего этого является слепота. Передается она мухами и от человека к человеку. В настоящее время этой болезнью в мире страдает около полумиллиона человек.

Третья группа охватывает заболевания, которые вызываются моллюсками, живущими в воде. Они являются переносчиками таких инфекций как шистоматоза и дракункулеза. Шистоматоз вызывает лихорадку, боли в печени, сыпь на коже, появление крови в фекалиях. Возбудители болезни - паразитирующие черви, сложный цикл которых проходит частично в водоеме, частично в некоторых видах улиток, частично в организме человека. Заболеть ею можно искупавшись в воде зараженного пруда, озера или канала. Шистоматозом страдают примерно 200 миллионов человек в Африке, на Ближнем Востоке, в Юго-Восточной Азии и некоторых района Латинской Америки.

Четвертая группа - это заболевания, вызываемые живущими или размножающимися в воде насекомыми. Они являются переносчиками малярии, желтой лихорадки, сонной болезни, онхоцеркоза. Онхоцеркоз, или "речная слепота" - болезнь глаз, вызываемая укусом мелкой черной мошки, обитающей на быстрых реках. Личинка проникает в организм человека (в глаза) и, повреждая ткани, вызывает слепоту. Этой болезнью страдают в мире примерно 30 миллионов человек.

Пятая группа - заболевания, возникающие из-за несовершенной канализации. Наиболее распространенное из них - нематодоз.

 

7.11. ПОНЯТИЕ И ПРИЧИНЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО КРИЗИСА

 

Природа расправляется с былым

Как водится. Но лик ее при этом,

Пусть залитый закатным светом,

Невольно делается злым.

Иосиф Бродский

В начале декабря 1930 г. в долине реки Маас в Бельгии выбросы предприятий добывающей промышленности привели к гибели 60 человек. Всего пострадало 60… Хроника последующих происшествий и вовсе угрожающа. В октябре 1948 г. в… Мексика, город Поза-Рика, 1951 год. Сероводород стал виновником смерти 22 служащих завода нефтеперерабатывающего…

ГЛАВА 8. РЕСУРСЫ БИОСФЕРЫ

8.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ

Мы, Homo sapiens, научились использовать громадное количество природных ресурсов, от которых теперь зависим... В результате сложилась форма контролируемого существования, которую мы называем цивилизацией... Но похоже, мы сами себя загнали в угол... Без непрерывного снабжения природными ресурсами цивилизованное общество непременно рухнет, а человеческая популяция зачахнет.

Брайн Скиннер

 

Под общим понятием ресурсов понимаются любые источники и предпосылки получения необходимых людям материальных благ. Ресурсы можно определить также как необходимые (жизненно важные) для функционирования любой системы элементы внешней и внутренней сред, ограниченные количественно и определяющие возможности и особенности её (системы) становления, существования и развития.

Существует множество различных классификаций ресурсов. Экологов в первую очередь интересуют ресурсы природные, то есть вся совокупность естественных продуктов природы, используемых человеком для удовлетворения материальных и культурных потребностей общества. На рис. представлена примерная классификация природных ресурсов.

Необходимо отметить, что использование термина "неисчерпаемые ресурсы" не вполне корректно. Данную группу ресурсов можно назвать так только условно. Неисчерпаемой в физическом мире может быть только материя, переходящая из одних форм в другие. Некоторые авторы считают, что "выделение группы неисчерпаемых природных ресурсов - удивительно стойкое заблуждение" (Реймерс, 1994), и придерживаются закона ограниченности (исчерпаемости) природных ресурсов на Земле. Таким образом, группу неисчерпаемых ресурсов, приведенных на схеме мы будем считать условно неисчерпаемыми.

Конечно, на первый взгляд солнечная энергия, энергия морских приливов, текущая вода, атмосфера, гидросфера таят в себе неисчерпаемые возможности. Однако многие так называемые неисчерпаемые ресурсы оказываются в конце концов конечными из-за того, что среда их происхождения становится зачастую непригодной для сложившегося хозяйства и жизни человека (загрязнение, прямое отравление, например, атмосферы, гидросферы). Таким образом, говорить о каких-либо неисчерпаемых ресурсах довольно рискованно.

Исчерпаемые природные ресурсы делятся на исчерпаемые восстанавливаемые (возобновимые) и исчерпаемые невосстанавливаемые (невозобновимые). К первой группе прежде всего относятся биологические ресурсы - растительность и животный мир. Это лесные ресурсы, ресурсы сельскохозяйственных растений, диких и домашних животных. Сюда же можно отнести и некоторые минеральные ресурсы, например выпадающие в осадок соли в соленых водоемах. При определенных условиях возобновимые ресурсы могут в сравнительно короткий геологический период восстановиться качественно и количественно.

Ко второй группе относится большинство полезных ископаемых - нефть, уголь, газ и т.д. Исчерпаемость ресурсов связана, во-первых, с их широкомасштабным применением. Изъятие этих ресурсов из природной среды происходит очень интенсивно, запасы их неуклонно уменьшаются. Во-вторых, эти ресурсы восполняются значительно более медленными темпами, чем происходит их потребление (нефть, уголь, сланцы и др.).

Можно также выделить относительно возобновимые ресурсы. Это прежде всего почвы, частично вышедшие из сельскохозяйственного оборота в результате водной и ветровой эрозии либо радиоактивного загрязнения, лесные древостои высокого возраста, торф, используемый в качестве топлива. По истечении определенного промежутка времени (от сотен до нескольких тысяч лет) эти ресурсы можно будет снова использовать.

 

Природные ресурсы

  Неисчерпаемые Исчерпаемые  

Платон

 

Возможность получения пресной воды была одним из главных условий (или предпосылок) зарождения цивилизации, существования людей и развития любых производств. Для своих поселений человек издревле выбирал места вблизи водотоков. Посмотрите на карту мира. Все крупные города (да и большинство малых) основаны вблизи непосредственной близости водных источников - рек. Пути расселения человека по Земле также оказались путями воды. Заселение материков начиналось от рек. Вода с древнейших времен стала важнейшим и самым дешевым транспортным путем.

Древнейшие культуры начинали развиваться как водные цивилизации. Около 3-4 тысячелетий назад в плодородном междуречье Тигра и Евфрата неведомые нам люди начали сеять зерно. Именно это место считается одним из древнейших очагов цивилизации на планете. Здесь развивались государства Ассирия, Вавилония, Шумер. Уже тогда наши предки осознали: вода - это жизнь. Точно так же на жирных наносных почвах, образованных Индом и его притоками, выросла древняя индийская культура, а возникновение китайского земледелия принято связывать с рекой Вэйхэ - притоком Хуанхэ в Северном Китае.

Африка, где недостаток воды сказывается особенно сильно, также дала миру древнюю цивилизацию - египетскую. По берегам Нила возник созданный человеком оазис. Зеленая извилистая кромка вдоль берегов реки, окруженная пустыней, - вот то место, упоминание о котором связывается у нас с именами египетских фараонов. В высшей степени практичные египтяне начали ежегодно отмечать высоту паводка на Ниле за 3 тыс. лет до нашей эры. С научной точки зрения сами паводки египтян не интересовали, но высота воды показывала, какая площадь будет затоплена, а это давало возможность определить величину налогов с урожая. В жизни древних египтян Нил играл настолько большую роль, что деление года на периоды проводилось ими с учетом состояния реки. Год начинался среди лета, когда разливалась река. Он делился на три сезона: сезон наводнения, сезон роста и сезон уборки урожая при самой низкой воде.

Человечеству для жизни нужна не просто вода, не любая вода, а вода пресная и определенного качества. А ее очень и очень мало. Не следует забывать, что из каждых 100 л воды на Земле 97 л имеют соленый вкус. Современные исследования показали, что суммарные запасы всех видов пресных вод суши - рек, озер, подземных и снежно-ледниковых ресурсов не превышают 2,5% от общего количества воды на Земле. Запас воды в реках и озерах оценивается цифрой в 95 000 км3, т.е. всего 0,26% от суммарных ресурсов пресных вод, или 0,007% от общих запасов воды на Земле.

Любой житель цивилизованного общества привык, что стоит только повернуть кран, как из него тут же потечет струйка воды. Для нас это стало обыденным фактом. А вот известный немецкий зоолог, паразитолог и гидробиолог Ганс Либман в своей книге "Планета на пути к смерти" рассказал следующий случай.

Когда несколько десятилетий назад австралийского пигмея, жившего в условиях каменного века, доставили в большой город и показали ему все достижения технической цивилизации, его больше всего поразили не небоскребы, а тот простой факт, что дома, отвернув кран, мы можем получить воду. Инстинкт безошибочно подсказал аборигену, что завидовать надо не огромным домам или дорогам, построенным цивилизованным человечеством, а воде, которую можно иметь в любом количестве, в любое время суток прямо из водопровода.

Недостаток воды и ее плохое качество напрямую влияют на здоровье людей. Некоторые наиболее опасные заболевания встречаются именно в местах, где весьма затруднен доступ к источникам чистой воды.

Проблема питьевой воды связана с проблемой использования ее для получения продуктов питания. Сельское хозяйство требует больших водных затрат. А если приплюсовать сюда такого потребителя воды, как промышленность, то становится понятным, почему медленно, но верно запасы пресных вод на планете иссякают. Если в начале века промышленность потребляла всего 30 км3 воды в год, то к 1975 г. водопотребление возросло до 630 км3, и по прогнозам в 2015 г. оно достигнет 2750 км3 в год.

Насколько велики потребности в воде в промышленности и сельском хозяйстве, можно судить по следующим цифрам. Для производства сахара из 1 т сахарной свеклы требуется 0,5-6 м3 воды, 1 т бумаги - 1,5-60 м3, 100 л пива - 5-21 м3, для дубления 1 т сырой кожи - 20-50 м3; 1 т пряжи - до 200 м3, для выработки 1 т капронового волокна - 5600 м3, 1 т стали - 25 тыс.л., для выпуска одного автомобиля - 300 тыс.л., для орошения 1 га хлопка - 5-6 тыс.м3, 1 га риса - 15-20 тыс. м3.

Растущие города требуют свою долю живительной влаги. Для обеспечения потребности в воде современного города с миллионным населением требуется по крайней мере 0,5 млн м3 воды в сутки из расчета 0,5 м3 на человека. Обычно город сталкивается с триединой водной проблемой: снабжение водой, отвод сточных вод и пополнение запасов воды.

Насколько города зависимы от запасов питьевой воды, свидетельствует следующий пример. Город Сингапур расположен на острове вблизи полуострова Малакка. Питьевая вода в город поступает по водопроводу с полуострова, что делает Сингапур уязвимым в стратегическом отношении. Во время Второй мировой войны японцы взорвали водпровод, связывающий остров с полуостровом, и гарнизону пришлось капитулировать. В дальнейшем власти решили создать запас пресной воды на самом острове.

Уже сейчас из-за загрязнения природных вод многие города вынуждены пополнять водные запасы из источников, находящихся на большом удалении от них, либо бурить глубокие водозаборные скважины. Все это требует затраты огромных средств.

И, может быть, не все было бы так плохо, если бы вода, которую мы используем или планируем использовать, была чистой. Однако острота проблемы усугубляется тем, что качество ресурсов пресных вод постоянно ухудшается. Водные объекты все в большей мере загрязняются сточными водами и разного рода отходами.

Если учесть все сказанное, можно придти к довольно печальному выводу. В первой четверти будущего века водные ресурсы на нашей планете будут практически близки к исчерпанию. В отдельных же странах, регионах и речных бассейнах источники воды могут быть исчерпаны значительно раньше. Поэтому решение водной проблемы должно вестись по трем главным направлениям: ограничение эксплуатации подземных запасов вод, экономия воды путем более эффективной ее доставки и регламентирования потребления, а также возрождение некогда чистых, а теперь загрязненных естественных водоемов.

 

8.8. ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ И ПОДЗЕМНЫХ ВОД

 

Оскверняющий грязью светлые воды источника

Лишает себя питья.

Древняя мудрость

 

В 1996 г. одна из экологических лабораторий России обнародовала результаты анализа проб воды, взятых из Волги в границах Ярославской области. Как выяснилось, за предшествующие два года промышленные предприятия области сбросили в Волгу и ее притоки 500 т фосфора, 4 тыс. т азота, 400 т железа, 100 т цинка, 22 т хрома, 65 т алюминия, 9 т свинца, 1400 т магния, а также 3 тыс. т нитратов и 750 т нефтепродуктов. Образно говоря, в Волге можно обнаружить большую часть элементов таблицы Менделеева.

В реки и озера Сибири ежегодно сбрасывается примерно 40 млн т токсичных веществ. Содержание органических веществ, аммонийного и нитратного азота, цинка, хрома, фенолов, меди в реках Сибири и Дальнего Востока превышает пределы допустимого на 30%.

Сток пресных вод России формируется преимущественно в Сибири (84%). Самые грязные реки российского Севера - это Северная Двина, Печора, Яна, Лена, Индигирка, Колыма, реки острова Сахалин, Кольского полуострова, нижнего течения Амура, Обь, Енисей.

Говорят, что 150 лет назад горничные, нанимавшиеся на работу в дома, расположенные в бассейне Рейна, ставили в контракте условие: при столовании блюда из лосося не должны подаваться более двух раз в неделю. Такие же условия ставили и батраки из Англии, нанимавшиеся на сельскохозяйственные фермы. А вот уже много лет лосось в Рейн вообще не заходит.

В далеком 1900 г. только голландские рыбаки выловили в Рейне (а Рейн - река пяти государств) 200 тыс. кг лосося, в 1930 г. - уже 10 тыс., в 1950 г. - только 3 тыс. кг этой ценнейшей рыбы, а в 1970 г. она полностью исчезла из-за катастрофического загрязнения реки. Это касается не только лосося, но и других видов рыб. После 1970 г. Рейн стал мертвой рекой. Позже благодаря усилиям немецких экологов запасы рыбы в реке постепенно начали восстанавливаться. Однако вряд ли в Рейне до конца восстановятся такие ценные виды рыб, как форель, лосось, хариус, усач и щука.

Кроме рек и озер планеты, сильному загрязнению подвергаются моря и океаны. Пути загрязнения могут быть самыми различными:

- сброс промышленных и сточных вод непосредственно в море или с речным стоком;

- смыв различных токсических веществ, используемых в сельском и лесном хозяйствах, и при других видах хозяйственной деятельности;

- преднамеренное загрязнение на дне морей и океанов различных токсических (в том числе и радиоактивных) отходов;

- утечка загрязняющих веществ в результате судовых операций;

- аварийные выбросы с судов и из подводных трубопроводов;

- утечка при разработке полезных ископаемых на морском дне;

- перенос загрязняющих веществ через атмосферу;

- естественная утечка нефти через трещины земной коры.

<span style='font-size:18.0pt'>Грунтовые(подземные) воды</span><span style='font-size:18.0pt'> - основной ресурс питьевой воды в мире. В отличие от поверхностных вод, которые можно очистить при помощи очистных сооружений, грунтовые воды включены в иной гидрологический цикл и потому не могут быть очищены. Большая часть грунтовых вод подпитывается осадками, которые просачиваются в почву. <o:p></o:p></span>

<span style='font-size:18.0pt'>На качество грунтовых вод могут оказывать влияние многие виды человеческой деятельности.

<span style='font-size:18.0pt'>Главный источник загрязнения грунтовых вод - это мусорные свалки(полигоны). Твердые отходы на свалках состоят из пищевых отходов, бумаги, пластиков, металлов и токсичных материалов (свинца, ртути, кадмия, ядохимикатов и пестицидов). Места утилизации отходов представляют угрозу для грунтовых вод, потому что вместе с дождем и влагой металлы и органические вещества просачиваются в почву. Этот процесс напоминает то, что происходит с пакетиком чая, опущенным в горячую воду. <o:p></o:p></span>

<span style='font-size:18.0pt'>Ученые подсчитали, что из свалки площадью в сорок-сорок семь гектаров, расположенной во влажном месте, ежегодно вымывается от ста семидесяти двух до трехсот восьми с половиной миллионов литров химикатов и металлов. Обычно в состав этих химикатов входят хлориды, свинец, медь и нитрит натрия. <o:p></o:p></span>

Источниками загрязнения подземных вод также являются:

■ химическое загрязнение сбросами вредных веществ: тяжелых металлов, фенолов, кислот, щелочей, цианидов и других минеральных и органических токсических веществ

■ ирригация,

■ использование удобрений и пестицидов,

■ септические отстойники и выгребные ямы,

■ муниципальные канализационные системы,

■ санитарные поля фильтрации и мусорные свалки,

■ скважины, колодцы, подземные трубопроводы,

■ промышленные отходы,

■ поверхностные разливы различных веществ,

■ утилизация соляных растворов и отходов добывающей промышленности. <o:p></o:p></span>

Сюда же можно отнести и загрязнение окружающей среды выхлопными газами автомобилей. Загрязнители этого типа действуют на окружающую среду непосредственно, реагируя с теми или иными компонентами живой природы.

К особому типу загрязнителей относятся вещества, действующие медленно и относительно скрыто, хотя нередко довольно трудно различить скрытое или явное действие токсикантов. Это нефтяные углеводороды, продукты производства фенолов, галогенпроизводные инсектициды, гербициды, синтетические детергенты (применяющиеся в промышленности и в быту моющиеся средства).

Опасными загрязнителями являются также органические вещества, способные к ферментации. Этот тип загрязнения относится к биологическому. Оно может возникнуть как следствие канализационного стока в реки либо без очистки, либо при недостаточной очистке а также сброса промышленных предприятий - целлюлозно-бумажных, пищевых и текстильных.

Нельзя не упомянуть и радиоактивное загрязнение. До 1986 г. (авария на Чернобыльской АЭС) оно рассматривалось как загрязнение косвенное, затрагивающее в основном биологию человека. Феномен Чернобыльской аварии заставил пересмотреть эту точку зрения и признать огромную опасность, исходящую от радиоактивных загрязнителей не только для человека непосредственно, но и для всей биоты в целом.

Следующую группу составляют механические загрязнители, опасность которых также до недавнего времени преуменьшали. Это твердые инертные вещества: глина, шлам, песок, шлак, отходы соледобывающей и угольной промышленности.

<span style='font-size:18.0pt'>Добывающая промышленность создает проблему промышленных бассейнов и шламонакопителей, содержащих сточные воды. Эти поверхностные углубления в конечном итоге заполняются шламами, и эти осадки необходимо вычищать. В конце концов осадки из промышленных бассейнов оказываются в поверхностных и подземных водах. Особо опасны такие вещества в жидких отходах добывающей промышленности, как нитраты, хлориды, токсичные металлы и радиоактивные отходы. Твердые отходы добывающей промышленности обычно собираются в отвалах. Оттуда они попадают в воду в результате смыва осадками. <o:p></o:p></span>

И последнее в перечне - тепловое загрязнение, в основном от сбросов тепловых и атомных электростанций. Это загрязнение, особенно в сочетании с другими типами загрязнителей, представляет собой серьезную проблему для будущего.

 

8.9. ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ БЕЛАРУСИ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

 

Вода благоволила литься!

Она блистала столь чиста,

Что - ни напиться, ни умыться.

И это было неспроста.

Ей не хватало ивы, тала

И горечи цветущих лоз.

Ей водорослей не хватало

И рыбы, жирной от стрекоз.

Ей не хватало быть волнистой,

Ей не хватало течь везде.

Ей жизни не хватало - чистой

Дистиллированной воде!

Леонид Мартынов

 

Речная сеть Беларуси хорошо развита. Средняя густота ее составляет 25 км на 100 км2. На территории Беларуси 20,8 тыс. рек и речушек. Их общая длина - 90,6 тыс. км. Однако свыше 90% их количества - это водотоки, длина которых не превышает 10 км (так называемые малые реки). К числу крупных относятся такие речные артерии, как Западная Двина, Неман, Западный Буг, Вилия, Днепр, Сож, Припять. Максимальная густота речной сети отмечается на севере Беларуси - в бассейне Западной Двины, в условиях пересеченного рельефа (более 45 км на 100 км2), минимальная - на юге республики в бассейнах Буга и Припяти.

В Беларуси насчитывается свыше десяти тысяч озер (10 800). Среди них выделяются жемчужина Беларуси - озеро Нарочь (80 км2), Освейское (58 км2), Дрисвяты (45 км2), Червоное (40 км2), Дривяты (38 км2). Большинство озер расположено в северной части Беларуси - в Белорусском Поозерье. Озера здесь образовались в ледниковый период. Движущиеся огромные ледниковые глыбы выпахивали перед собой углубления, которые после таяния ледника заполнялись водой.

Озера Беларуси играют огромную роль в удовлетворении промышленных и бытовых нужд. Запасы содержащейся в них пресной воды идут в непосредственное использование человеком. Озера являются средоточением рыбных богатств и скоплениями такого ценного сырья, как сапропеля.

В Беларуси, на первый взгляд, с питьевой водой дело обстоит не так уж плохо. На каждого жителя республики (учитывая всю пресную воду) приходится 20 м3 пресной воды в сутки. Однако беда в том, что в большинстве своем эта вода загрязнена.

Давление антропогенного пресса сказалось и на состоянии водных ресурсов Беларуси. Белорусская вода содержит нефтепродукты, аммонийный и нитратный азот, фенолы, органические и биогенные вещества, соли тяжелых металлов. Минерализация воды крупных белорусских рек, таких, как Неман, Днепр, Припять, возросла за последние 15 лет на 20 %. В каждом пятом колодце вода превышает предельно допустимые концентрации (ПДК) по многим микробиологическим показателям и содержанию ядохимикатов. Повсеместно наблюдается значительное увеличение в воде концентрации минерального азота, фосфора, нитратов, меди, цинка, хрома, формальдегида, нефтепродуктов. Список можно было бы продолжить. Такое положение сложилось при обстоятельствах всем хорошо известных. Это прежде всего отсутствие очистных сооружений на промышленных предприятиях, чрезмерная химизация сельскохозяйственного производства, поступление сточных вод из городов. И хотя статистика показывает, что в последние годы качественный состав вод некоторых рек стал улучшаться (уменьшается содержание соединений азота, нефтепродуктов), оснований для оптимизма пока нет. Такое видимое "улучшение" следует расценивать в первую очередь как следствие повсеместного спада промышленного производства. В то же время в наиболее транспортных водных артериях состояние воды не улучшается.

Серьезные экологические нарушения связаны с деятельностью животноводческих комплексов, где технологии основаны на бесподстилочном выращивании животных и смыве гноя водой. Многие комплексы размещены в близости от водотоков, что приводит к загрязнению водной системы.

Для определения класса загрязненности поверхностных вод применяются следующие градации: I - очень чистая вода, II - чистая, III - умеренно загрязненная, IV - загрязненная, V - грязная, VI - очень грязная, VII - чрезвычайно грязная.

Многие крупные и средние реки по комплексной оценке отнесены к классу загрязненных. Наиболее загрязненной на территории республики является река Свислочь ниже г. Минска (ниже выпуска сточных вод Минской станции аэрации). По данным Госкомэкологии, в реку в 1992 г. ежесуточно сбрасывалось 705 тыс. м3 сточных вод.

По состоянию на 1995 г. к классу загрязненных отнесены следующие участки рек Беларуси ("Состояние природной среды Беларуси", 1996): р.Свислочь (г. Минск), р.Мухавец (г. Кобрин), р.Мухавец (г.п. Жабинка), р.Мухавец (г. Брест), р.Рыта (с. М.Радваничи), р.Лесная (г. Каменец), р.Лесная Правая (г. Каменюки), р.Ясельда (г. Береза), р.Уза (г. Гомель), р.Днепр (г. Могилев), р.Улла (г.п. Чашники), вдхр. Лошица (г. Минск).

Такому же антропогенному загрязнению подвергаются и наши голубые озерные жемчужины. В Заславском водохранилище зарегистрировано повышенное содержание меди, фенолов, нефтепродуктов, аммонийного и нитритного азота. Увеличилось содержание этих загрязнителей в Лукомльском озере, куда сбрасываются воды местной ГРЭС. Не исключение здесь и знаменитое озеро Нарочь, где отмечено повышение концентраций аммонийного азота, меди, нефтепродуктов. Из-за чрезмерной концентрации в озерах биофильных элементов в них идут процессы эвтрофикации - повышения биологической продуктивности водных обитателей под действием антропогенных факторов. Разрастаются колонии цианобактерий ("цветение воды"), и в связи с этим уменьшается количество доступного кислорода. В результате происходит крупномасшабное заглеение озер и уменьшение поголовья рыбного племени.

 

8.10. СОСТОЯНИЕ ПОЧВЕННЫХ РЕСУРСОВ БЕЛАРУСИ

 

Ты прости меня, земля-матушка,

Что рвала я твою грудушку

Сохою острою, разрывчатой...

Не урядливым гребешком расчесывала,

Рвала грудушку бороночкой,

Со железными зубьями ржавыми...

А.В.Кольцов

Если представить Землю размером с куриное яйцо, то ее почвенный плодородный слой окажется настолько тонким, что его трудно будет различить… Численность населения, занимающегося земледелием, все уменьшается. К концу… Сегодня на каждого жителя Земли, включая детей, приходится по 0,28 га плодородной земли. К первой трети XXI в.…

Ж.Дорст

Ежегодные мировые потери плодородных почв на обрабатываемых землях в настоящее время составляют, по некоторым оценкам, 24 млн т. Для сравнения,… Одной из главных бед разрушения плодородного слоя является почвенная эрозия.… Ежегодный объем смыва почвы на Земном шаре в результате водной эрозии достигает примерно 25 млрд т. В конечном счете…

Сен-Симон

Энергия всегда играла и продолжает играть важную роль в жизнедеятельности человеческого общества. Все виды деятельности человека связаны с затратами… Первая такая промышленная революция, которая в XIX в. полностью преобразовала… Применение нефти и природного газа в сочетании с развитием электроэнергетики, а затем и освоение энергии атома…

Из послания английского

  Альтернативные источники энергии - это ветер, солнце, приливы и отливы,… В настоящее время солнечная энергия используется в некоторых странах в основном для отопления. Для производства…

ГЛАВА 9. ЭКОЛОГИЯ КАК ОСНОВА ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ И ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

 

 

9.1. ЭКОЛОГИЯ, РАЦИОНАЛЬНОЕ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ И ОХРАНА ПРИРОДЫ

 

Несмотря на почти сто лет пропаганды, развитие охраны природы идет черепашьим шагом, и ограничивается главным образом благочестивыми вздохами на бумаге и красноречием на съездах и конференциях...

Отто Леопольд

С первых шагов человека по Земле его жизнь неотделима от природной среды, дома в котором он обитает. И только природе он обязан своему существованию… В последнее время в экологической литературе наряду с термином "природная… Нобелевский лауреат этолог Н.Тинберген так сказал о взаимоотношениях человека и окружающей среды: "Мы так быстро…

Е.Евтушенко.

В настоящее время для Беларуси наиболее актуальна экологическая проблема, связанная с использованием атомной энергии (загрязнение окружающей среды… ■ негативное влияние на природную среду хозяйственной деятельности… ■ ограниченность и истощаемость природных ресурсов;

Л.Мартынов

Развитие человечества проходило под знаком постоянной войны с природой. Казалось, в ее лице человек обрел извечного недруга. И все мероприятия,… В 1884 г. французские ботаники, исследовав флору г.Парижа, насчитали 209… За очень короткое в геологическом масштабе время человечество вырубило, сожгло, распахало, застроило и уничтожило…

Роберт Рождественский

Наиболее совершенной формой охраны живой природы является заповедный режим. Организация заповедных территорий в настоящее время - это наиболее… Главная проблема охраны природы - это не защита отдельных видов растений или… Идея сохранения уголков нетронутой природы с целью сбережения природных ресурсов возникла не в наше время. Сохранились…

М.Дудин

В Беларуси проблемы охраны природной среды стали подниматься только в 20-е годы прошлого столетия. 30 января 1925 г. в 120 км севернее г.Минска в… Главной лесообразующей породой заповедника является сосна. Она занимает около… По мере понижения местности вересковые боры сменяются брусничными, черничными. Сосны в таких местах становятся выше,…

Таким образом, на территории Беларуси в настоящее время действуют 2 государственных заповедника (Березинский биосферный и Полесский радиационно-экологический), 4 национальных парка ("Беловежская пуща", "Браславские озера", "Припятский", «Нарочанский»), а также 94 заказника и 95 биологических памятников республиканского значения.

Площадь заповедников и национальных парков составляет 481,2 тыс.га, или 2,32% территории. Всего система особо охраняемых территорий Беларуси включает в себя 1313 объектов, общей площадью 1500 тыс. га, или 7,2% общей плошади республики.

 

9.7. ОХРАНА И ЗАЩИТА ЛЕСОВ

 

Когда дикарям хочется завладеть плодами, они

срубают дерево.

Шарль Монтескье

Среди растительных ресурсов особое место занимает лесная растительность. Общая площадь лесных земель на планете составляет больше 4 млрд.га. В таблице…  

В.Высоцкий

Животный мир представляет собой весьма важную часть биосферы. Животные располагаются на верхних этажах экологических пирамид. Животные, питающиеся… Ареал (область распространения) так называемой оранжевой жабы - вершина… В графстве Бэкингемпшир (Англия), где шоссе пересекало болотистую местность, за год машины уничтожали до 20 тысяч…

Е.А.Баратынский

XXI век поставил перед человечеством новые ориентиры. Это прежде всего приоритеты экологии и нравственности. Решение современных экологических… Очень хочется, чтобы слова Е.А.Баратынского, приведенные в начале, не остались… Взаимосвязи между живыми организмами и факторами окружающей среды являются предметом изучения экологии, которая…

ТЕРМИНОЛОГИЧЕСКИЙ СЛОВАРЬ

Автотрофные организмы - организмы, самостоятельно синтезирующие органические вещества из неорганических соединений с использованием энергии Солнца… Агроэкосистема - неустойчивая экосистема, искусственно созданная человеком, с… Алармизм (от англ. аlarm - тревога, страх) - течение в западной науке, представители которого акцентируют внимание на…

УКАЗАТЕЛЬ ИМЕН

Алексей Михайлович (1629-1676) – русский царь с 1645 г. Альдрованди Улиссе (1522—1605) - итальянский натуралист. Аристотель (384-322 до н.э.) - древнегреческий философ и ученый.

Зюсс Эдуард (1831-1914) - австрийский геолог. Обобщил представления о строении и развитии земной коры.

Колумелла - римский писатель и агроном I в, автор сельскохозяйственной энциклопедии. Кольцов Алексей Васильевич (1809-1842) – русский поэт. КостычевПавел Андреевич (1845-1895) – один из основоположников современного почвоведения (Россия).

Линдеман

Лихачев Дмитрий Сергеевич (1906-1999) – литературовед и общественный деятель (СССР, Россия). Ломоносов Михаил Васильевич (1711-1765) – руссакий ученый-естествоиспытатель,… Лосев Алексей Федорович (1893-1988) – русский философ и филолог.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

 

Агесс П. Ключи к экологии/ Пер.с франц. Л., Гидрометеоиздат, 1982.

Андерсон Д.М. Экология и науки об окружающей среде: биосфера, экосистемы, человек/ Пер. с англ. Л. 1985.

Баландин Р.К. Область деятельности человека. Техносфера. Мн., 1982.

Бигон М., Харпер Дж., Таунсенд К. Экология: Особи, популяции и сообщества. В двух томах/ Пер. с англ. М. 1989. Биологический энциклопедический словарь. М. 1986.

Вернадский В.И. Биосфера. М. 1967.

Вернадский В.И. Живое вещество. М. 1978.

Войткевич Г.В., Вронский В.А. Основы учения о биосфере: Учеб. пособие для студентов вузов. Ростов на Дону, 1996.

Вронский В.А. Прикладная экология: Учеб. пособие. Ростов на Дону, 1996.

Гиляров А.М. Популяционная экология: Учеб. пособие. М., 1990.

Горелов А.А. Человек - гармония - природа (Сер. "Человек и окружающая среда"). М., 1990.

Дажо Р. Основы экологии. М., 1975.

Дювиньо П., Танг М. Биосфера и место в ней человека: Экологические системы и биосфера/ Пер. с франц. М., 1973.

Камшилов М.М. Эволюция биосферы. 2-е изд. М., 1979. Каталог биосферы/ Пер. с англ. М., 1991.

Лапо А.В. Следы былых биосфер, или Рассказ о том, как устроена биосфера и что осталось от биосфер геологического прошлого. 2-е изд.перераб.и доп. М., 1987.

Лосев К.С. Вода. Л., 1989.

Лукашев К.И. Тревоги и надежды: Изменяющаяся биосфера. Мн, 1987.

Лучкоу А.I. Пpыpода Белаpусi: Сучаснасць i будучыня. Мн., 1993.

Маврищев В.В. Основы общей экологии/ Учебное пособие для студентов небиологических специальностей вузов. – Мн.: Вышэйшая школа, 2000.

Маврищев В.В.Экология в терминах и понятиях: Пособие для педагогов общеобразовательных учреждений. – Мн., «Аверсэв», 2002.

Нестеренко В.Б. Масштабы и последствия катастрофы на Чернобылькой АЭС для Беларуси, Украины и России. Мн, 1996.

Ньюмен А. Легкие нашей планеты/ Пер. с англ. М., 1989.

Одум Ю. Экология. В двух томах/ Пер. с англ. М., 1986.

Очерки по истории экологии. М., 1970.

Парфенов В.И., Лучков А.И. Современные подходы к решению экологических проблем в Белоруссии. Мн, 1991.

Пономарева И.Н. Экология растений с основами биогеоценологии. М., 1978.

Радкевич В.А. Экология. 3-е изд., перераб. и доп. Мн, 1997.

Реймерс Н.Ф. Азбука природы: Микроэнциклопедия биосферы. М., 1980.

Реймерс Н.Ф. Природопользование: Словарь-справочник. М., 1990.

Реймерс Н.Ф. Экология (теория, законы, правила, принципы и гипотезы). М., 1994.

Риклефс Р. Основы общей экологии. М, 1989.

Солбриг О., Солбриг Д. Популяционная биология и эволюция/ Пер. с англ. М., 1982.

Стадницкий Г.В., Родионов А.И. Экология. 4-е изд., испр. СПб., 1997.

Сытник К.М., Брайон А.В., Гордецкий А.В. Биосфера. Экология. Охрана природы. Киев, 1987.

Уиттекер Р. Сообщества и экосистемы. М., 1980.

Федоров В.Д., Гильманов Т.Г. Экология. М., 1980.

Чернова И.М., Былова А.М. Экология. Учебн.пособие для студ. биол.спец. пед.ин-тов. - 2-е изд., перераб. - М.: Просвещение, 1988.

Шилов И.А. Экология: Учеб.пособие для биол. и мед. спец. вузов. - М.: Высш.шк., 1997.

 

– Конец работы –

Используемые теги: основы, экологии0.038

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: ОСНОВЫ ЭКОЛОГИИ

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Еще рефераты, курсовые, дипломные работы на эту тему:

Научные основы экологии, разделы общей фундаментальной и частной экологии. Понятие экологической медицины и её место в системе экологических наук
Классификации общей экологии... По размерам объектов изучения в общей экологии выделяются...

Основы планирования. Теоретические основы управления проектами. Основы планирования. Планирование проекта в MS Project 7
Использованная литература В В Богданов Управление проектами в Microsoft Project Учебный курс Санкт Петербург Питер г...

Основы экологии, экономика природопользования
Основы энергосбережения... Предмет методология и задачи курса Особенности взаимодействия общества и природной среды...

Основы социальной экологии
На сайте allrefs.net читайте: Федеральная целевая программа книгоиздания России. УДК...

ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ЭКОЛОГИИ
Б М Миркин Л Г Наумова... ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ЭКОЛОГИИ Москва... От авторов...

Основы экологии и экономика природопользования
Минский институт управления... О А Шатравская...

Основы общей экологии
Экологию рассматривают как науку и учебную дисципли ну которая призвана изучать взаимоотношения организмов и среды во всем их разнообразии При... Термин экология был введен в употребление немецким есте ствоиспытателем Э... По этой причине экологию иногда связывают только с учением о среде обитания доме или окружающей среде Последнее в...

Основы общей экологии
Основы общей экологии... Общеобразовательный курс... Издание четвертое доработанное и дополненное...

РАЗДЕЛ І ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ЭКОЛОГИИ
РАЗДЕЛ І ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ЭКОЛОГИИ... ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ЭКОЛОГИИ... План...

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ И ПРАКТИКУМУ ПО КУРСУ «ОСНОВЫ СОВРЕМЕННОЙ ЭКОЛОГИИ»
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ... ДИЗАЙНА И ТЕХНОЛОГИЙ КАФЕДРА ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ЭКОЛОГИИ...

0.029
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • По категориям
  • По работам