Экология

Федеральное агентство воздушного транспорта

Федеральное государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

"московский государственный технический университет гражданской авиации" (МГТУ ГА)

Кафедра безопасности полётов и жизнедеятельности

Смирнова Ю.В.

Экология

Пособие по изучению дисциплины «экология» для студентов специальности 160505 «аэронавигационное обслуживание и использование воздушного пространства»

Москва – 2009

Рецензент д-р техн. наук, проф. Е.Е.Нечаев   Смирнова Ю.В.

Московский государственный технический университет ГА

  Редакционно-издательский отдел 125993, Москва, ул. Пулковская, д. 6а

Таблица 1

Биомассы организмов Земли

В процессе развития биосферы выделяют 3 этапа : 1. Биосфера (где человек воздействовал на природу незначительно. Возраст… 2. Биотехносфера.

Рис. 3. Экосистемы биосферы

Однако органическая жизнь распределяется по горизонтали и вертикали неравномерно. В зависимости от абиотических факторов (световой режим, температура, солёность и т.д.) океан подразделяют на несколько зон:

­- в зависимости от освещения:

• верхняя освещаемая зона - до 200 м (эвфотическая);

• нижняя, лишённая света зона - свыше 200 м (афотическая).

- экосистема океана также делится на:

• толщу воды (пелагиаль);

• дно (бенталь).

- в зависимости от глубины:

• до 200 м (литоральная зона);

• до 2500 м (батиальная зона);

• до 6000 м (абиссальная зона);

• более 6000 м (ультраабиссальная зона).

В открытом океане по сравнению с прибрежной зоной пища менее сконцентрирована, поэтому здесь разнообразны активно плавающие организмы (рыбы, кальмары, акулы, киты и т.д.).

Пищевая цепь: фитопланктон - зоопланктон - планктоноядные рыбы - хищные рыбы - детритофаги (бактерии, которые живут в основном на дне).

2. Прибрежная зона

Прибрежная зона имеет оптимальные условия для жизни по сравнению с открытым океаном (свет, температура, достаточное количество питательных веществ и др.). Поэтому здесь наблюдается максимальное видовое разнообразие флоры и фауны (до 80 %). Пищевая цепь: аналогично п. 1.

3. Глубоководная рифтовая зона океана

Эта зона открыта в 1977 г. в зоне подводного хребта Тихого океана к северо-востоку от Галапагосских островов. Здесь на глубине 2600 м существуют «оазисы жизни» - гигантские черви (до 1,5 м), крупные белые моллюски, креветки, крабы, отдельные виды рыб. Поражает очень высокая плотность биомассы - до 15 кг/м³, в других местах на такой же глубине - до 0,01 кг/м³ (в 1500 раз больше).

Глубоководная зона характеризуется полной темнотой, огромным давлением. Адаптация - редукция плавательного пузыря, органов зрения, развитие органов свечения и т.п.

Рифтовая зона - кроме полной темноты, высокое содержание сероводорода и ядовитых металлов; имеются выходы термальных источников. Аналогичные участки встречаются в других районах океана.

В данной экосистеме серные бактерии играют роль растений, используя вместо солнечного света сероводород и соединения серы (хемосинтез).

Серобактерии - первое звено в пищевой цепи, далее - погонофоры, внутри тела которых обитают бактерии, перерабатывающие сероводород и поставляющие организму необходимые питательные вещества. Также в симбиозе с серо­бакте­риями существуют моллюски.

4. Пресноводная экосистема. Например, пруд.

Пищевая цепь: зелёные растения (кувшинки, кубышка, тростник), водоросли фитопланктона - зоопланктон (ракообразные), растительноядные рыбы - хищные рыбы (карп) - хищные рыбы (щука).

5. Экосистема пустыни. Осадки менее 250 мм/год.

Распространение: Африка (Сахара), Ближний Восток, Центральная Азия, юго-запад США и прочие. Климат: очень сухой, жаркие дни, холодные ночи.

 

Бывают:

- песчаные (Кара-Кум) - тропики;

- каменистые (Сахара) - умеренные широты;

- глинистые (Гоби) - арктические зоны.

Растительность: редкостойный кустарник, кактусы, низкие травы, быстро покрывающие землю цветущим ковром после дождей. У растений обширная поверхностная корневая система, перехватывающая влагу редких осадков, или стержневые корни, проникающие до грунтовых вод (30 м и более).

Животный мир: разнообразные грызуны (суслик, тушканчик), ящерицы, змеи, орлы, грифы, много мелких птиц, насекомые.

Особенности: занимают 1/3 поверхности и площадь их возрастает.

6. Саванны

Осадки - 750 - 1650 мм/год, главным образом во время сезонных дождей.

Распространение - субэкваториальная Африка, Южная Америка, юг Индии.

Климат - сухой, жаркий, большую часть года - обильные дожди в течение влажного сезона.

Растительность - трава с редкими листопадными деревьями (акация, кактусы).

Животный мир - крупные растительноядные животные: зебры, антилопы, жирафы, хищники: львы, леопарды, гепарды, термиты (детритофаги).

7. Степи

Осадки - 250 - 750 мм/год.

Распространение - центр Северной Америки, Россия, отдельные районы Африки, Австралии.

Климат – сезонный: летом - от умеренно тёплого до жаркого, зимой с температурой менее 0⁰C.

Растительность - травы (до 2 м в Северной Америке или менее 0,5 м в России) отдельные деревья, кустарники.

Животный мир - крупные травоядные: бизоны, антилопы, дикие лошади, кенгуру, жирафы, зебры; хищники: львы, леопарды, гепарды, гиены, птицы; мелкие роющие млекопитающие: кролик, суслик.

Особенности - большинство степей превращено в сельскохозяйственные поля, на которых выращиваются кукуруза, пшеница, соя, и пастбища для выпаса крупного и мелкого рогатого скота.

8. Тропические влажные леса

Осадки - более 2400 мм/год, почти каждый день дождь.

Распространение - север Южной Америки, Центральная Америка, экваториальная Африка, юго-восточная Азия.

Климат - без смены сезонов, среднегодовая температура приблизительно равна 28⁰ С.

Растительность - самая большая по разнообразию видов и биомассе растений экосистема. Леса с деревьями до 60 м и выше (красное дерево, шерстяное, шоколадное, леопардовое дерево, сандал). На стволах, ветвях - лианы.

Животный мир - очень разнообразен. Обезьяны, змеи, ящерицы, белки-летяги, лягушки, пауки, муравьи, попугаи, колибри, насекомые (много).

Особенности - почвы бедные, большая часть питательных веществ содержится в биомассе поверхностно укоренённой растительности.

9. Лиственные леса

Осадки - 750 -2000 мм/год.

Распространение - восток Северной Америки, Европа, Россия.

Климат – сезонный: зимние температуры менее 0, хотя не ниже -12⁰ С.

Растительность - листопадные деревья. Характеризуются многоярусностью. Деревья: дуб, липа, клён, ясень. Кустарники, травы, мхи, лишайники.

Животный мир: олень, косуля, кабан, заяц, ёж, волк, лиса, рысь. Птицы: тетерев, глухарь, рябчик, дрозд, дятел, синица, сова, сокол. В почве: кроты, землеройки, черви, клещи.

Особенностью является адаптация к сезонному климату - сброс листьев, зимняя спячка, миграция в тёплые страны.

10. Тайга

Осадки - 250 - 750 мм/год.

Распространение - северные районы Северной Америки, Европы, Азии.

Климат - сезонный. Долгая холодная зима, много осадков в виде снега, что сохраняет тепло в почве.

Растительность - вечнозелёные хвойные леса - кедр, сосна, ель, пихта, лиственница.

Животный мир – травоядные: лось, олень, заяц, белка, грызуны. Хищники: рысь, волк, лиса, медведь, норка, росомаха. Множество птиц: рябчик, глухарь, дятел. Кровососущие насекомые - 40 видов мошек.

Особенности - много озёр и болот, толстая подстилка из хвои.

11. Тундра

Осадки - менее 250 мм/год.

Распространение - север Евразии и Северной Америки.

Климат - сезонный. Очень холодная длительная зима с полярной ночью. Среднегодовая температура ниже -15⁰ С. Летом вечная мерзлота (оттаивает всего на 1 метр).

Растительность - мхи, лишайники, травы, низкорослые кустарники, адаптированные к холодостойкости; ягоды - голубика, брусника.

Животный мир - мелкие млекопитающие: сурки, суслики, лемминги. Хищники: песец, горностай, волк, сова. Северный олень, зайцы. Множество птиц: гуси, куропатки, утки, кулики. Насекомые: комары, оводы, пауки.

Особенности - болотистые почвы.

Все экосистемы взаимосвязаны и взаимозависимы.

Люди со своими культурными растениями и домашними животными образуют экосистему человека, которая взаимодействует со всеми другими экосистемами планеты.

Биотическая структура экосистемы

Все экосистемы включают одни и те же основные категории организмов, взаимодействующих друг с другом стереотипным образом. Это следующие категории: зелёные растения, консументы, детритофаги.

1. Зелёные растения

Это, в основном, зеленые растения (одноклеточные водоросли, травы, деревья и т.д.).

Фотосинтез - это химическая реакция, протекающая при участии хлорофилла клетки зеленых растений за счет солнечной энергии. СО₂ из воздуха, Н₂О из почвы и солнечная энергия - получается глюкоза и О₂. Фотосинтез идет в каждой клетке зеленых листьев (рис. 4):

 

6СO₂ + 6 Н₂O + Q_солн = C₆H₁₂O₆ + 6O₆ .

 

О₂ выделяется в атмосферу. Из глюкозы и минеральных элементов из почвы растения синтезируют сложные вещества, входящие в состав организма (белки, жиры, углеводы, ДНК и т.д.).

 

О₂

 

 

Рис. 4. Схема фотосинтеза

Таким образом растения продуцируют сложные органические соединения из простых неорганических (СO₂, Н₂О). При этом солнечная энергия накапливается в органических соединениях наряду с химическими элементами.

2. Консументы

Животные питаются органическим веществом, используя его как источник энергии и материал для формирования своего тела, т.е. зелёные растения продуцируют пищу для других организмов экосистемы. К консументам относятся рыбы, птицы, млекопитающие и человек.

Животные, питающиеся непосредственно растениями, называются первичными консументами (растительноядные). Их самих употребляют в пищу вторичные консументы (хищники). Бывают консументы третьего, четвёртого и более высоких порядков. Заяц ест морковь - первичный консумент, лиса, съевшая зайца - вторичный консумент. Человек ест различную пищу, при этом овощи - первичный консумент, а мясо - вторичный, хищная рыба – консумент третьего порядка, т.е. организм может соответствовать различным порядкам и называется тогда всеядным.

3. Детритофаги

Это организмы, которые питаются мёртвыми растительными и животными остатками (опавшие листья, мёртвые животные - это называется детрит).

Это грифы, гиены, черви, раки, термиты, муравьи, грибы, бактерии и т.д. Их главная роль - питаясь мёртвой органикой, детритофаги разлагают её. Отмирая, сами становятся частью детрита.

Некоторые организмы не укладываются в эту схему. Например: насекомоядные растения. Они улавливают насекомых, частично переваривают их с помощью ферментов и органических кислот, в результате чего восполняют недостаток азота и других питательных веществ. В России их 20 видов (венерика мухоловка, росянка). Обитают в местах с недостатком N, Р, К.

Пищевая сеть. Трофические уровни

При изучении биотической структуры экосистемы становится очевидным, что одно из важнейших взаимоотношений между организмами - это пищевое. Можно проследить бесчисленные пути движения вещества в экосистеме, при котором один организм поедается другим, а тот - третьим и т.д.

Пищевая цепь - это путь движения вещества (источник энергии и строительный материал) в экосистеме от одного организма к другому.

Растение^* корова

Растение корова человек

Растение кузнечик мышь лиса орёл

Растение жук лягушка змея птица

^*обозначает направление движения

В природе пищевые цепи редко изолированы друг от друга. Гораздо чаще представители одного вида (растительноядные) питаются несколькими видами растений, а сами служат пищей для нескольких видов хищников.

Пищевая сеть - это сложная сеть пищевых взаимоотношений.

Несмотря на многообразие пищевых сетей, они все соответствуют общей схеме: от зелёных растений к первичным консументам, от них к вторичным консументам и т.д. и к детритофагам. На последнем месте всегда стоят детритофаги, они замыкают пищевую цепь.

Трофический уровень - это совокупность организмов, занимающих определённое место в пищевой сети:

I трофический уровень - всегда растения;

II трофический уровень - первичные консументы;

III трофический уровень - вторичные консументы и т.д.

Детритофаги могут находиться на II и более высоком трофическом уровне.

Обычно в экосистеме насчитывается 3-4 трофических уровня. Это объясняется тем, что значительная часть потребляемой пищи тратится на энергию (90 - 99 %), поэтому масса каждого трофического уровня меньше предыдущего. На формирование тела организма идет относительно немного от – 1-10%.

Соотношение между растениями, консументами, детритофагами выражают в виде пирамид.

Пирамида биомассы - показывает соотношение биомасс различных организмов на трофических уровнях (рис.5).

Пирамида энергии - показывает поток энергии через экосистему (рис.6).

Очевидно, что существование большего числа трофических уровней невозможно из-за быстрого приближения биомассы к нулю.

III 10 кг лиса (1%)

II 100 кг заяц (10%)

I 1000 кг растения на лугу (100%)

Рис. 5. Пирамида биомассы

 

III 3,5 Дж вторичный консумент (волк)

II 500 Дж первичный консумент (корова)

I 6200 Дж растения

 

2,6*10Дж поглощено солнечной энергией

 

1,3*10Дж падает на поверхность земли

на некоторую площадь

Рис. 6. Пирамида энергии

Автотрофы и гетеротрофы

Автотрофы - это организмы, способные строить свои тела за счет неорганических соединений, используя солнечную энергию. К ним относятся растения (только растения). Они синтезируют из СО₂, Н₂О (неорганические молекулы) под воздействием солнечной энергии - глюкозу (органическое соединение) и О₂. Они составляют первое звено в пищевой цепи и находятся на одном трофическом уровне.

Гетеротрофы - это организмы, которые не могут строить собственное тело из неорганических соединений, а вынуждены использовать созданное автотрофами, употребляя их в пищу.

К ним относятся консументы и детритофаги. И находятся на II и выше трофическом уровне. Человек тоже гетеротроф.

Вернадскому В.И. принадлежит идея, что возможно превращение человеческого общества из гетеротрофного и автотрофное. В силу своих биологических особенностей человек не может перейти к автотрофности, но общество в целом способно осуществить автотрофный способ производства пищи, т.е. замена природных соединений (белки, жиры, углеводы) на органические соединения, синтезированные из неорганических молекул или атомов.

 

Принцип функционирования экосистем

1. Получение ресурсов и избавление от отходов происходят в рамках кругооборота всех элементов. Органика и кислород, образуемые при фотосинтезе в растениях, нужны консументам для питания и дыхания. А выделяемый консументами СО₂ и минеральные вещества мочи - необходимы растениям.

2. Экосистемы существуют за счёт не загрязняющей среду и практически вечной солнечной энергии, количество которой относительно постоянно и избыточно.

Солнечная энергия - химическая потенциальная энергия растений передаётся по пищевым цепям, впоследствии теряется в виде тепла.

3. Чем больше биомасса популяции, тем ниже занимаемый ею трофический уровень (99% переходит в энергию).

Закон лимитирующего фактора

Для разных видов растений и животных условия, в которых они особенно хорошо себя чувствуют, неодинаковы. Например, одни растения предпочитают очень влажную почву, другие - сухую. Одни требуют сильной жары, другие лучше переносят более холодную среду и т.п. В лабораторных экспериментах эти различия проявляются особенно четко.

Проведены следующие лабораторные исследования. Растения выращивают в различных камерах, где контролируются все абиотические факторы. При этом один фактор изменяется, а остальные остаются неизменными. В данном случае изменяется температура. Результаты показывают, что по мере повышения температуры от некоторой величины, ниже которой рост вообще не возможен, растение развивается всё лучше и лучше, пока скорость роста не достигнет максимального значения. При дальнейшем повышении температуры растение будет чувствовать себя всё хуже и хуже и в конечном итоге погибнет. Графически это можно изобразить следующим образом (рис. 7).

У каждого фактора, влияющего на рост, размножение и выживание организма, есть оптимум, зона стресса и далее зона, в которой существование данного организма не возможно.

Зона оптимума - это обычно диапазон температур, а не конкретная величина, т.е. диапазон температур, при которых максимальна скорость роста.

Слева и справа от зоны оптимума находятся зоны стресса, в них растение испытывает стресс и соответственно скорость роста резко уменьшается.

Диапазон устойчивости - диапазон температур, в котором возможен рост растения.

Предел устойчивости - минимальная и максимальная температуры пригодные для жизни.

Скорость

роста

 

t,⁰ С

38 8 18 28

Зона Зона Зона

стресса оптимума стресса

Диапазон устойчивости

 

Нижний предел Верхний предел

Рис.7. Закон лимитирующего фактора

Сходные эксперименты можно провести и для проверки влияния других факторов, причём результаты графически всегда одинаковы.

Подобные эксперименты показывают, что виды могут существенно различаться с точки зрения оптимальных условий и пределов устойчивости. Например, количество воды оптимальное для одного вида вызывает стресс у другого и приводит к гибели третий вид. Некоторые растения вообще не переносят заморозков (t<0°C), это ведёт к их гибели, другие растения способны выжить при небольших холодах, а есть растения, для которых несколько недель отрицательных температур - необходимое условие завершения жизненного цикла. То же самое справедливо и для других экологических факторов.

В описанном выше эксперименте изменялся только один фактор, а остальные как бы соответствовали зоне оптимума. Таким образом, наблюдается действие закона лимитирующего фактора: «Даже единственный фактор за пределами своего оптимума приводит к стрессовому состоянию организма, а в пределе - к его гибели».

Такой фактор называется лимитирующим. Это относится к любому влияющему на рост параметру, которого «слишком мало» или «слишком много». Например, гибель растений вызывается как чрезмерным поливом и избытком удобрений, так и недостатком воды и питательных веществ.

Закон лимитирующего фактора был сформулирован Либихом в 1840 г. в ходе его наблюдений за влиянием на растения минеральных удобрений. Он обнаружил, что ограничение дозы любого удобрения ведёт к одинаковому результату - замедлению роста.

Дальнейшие наблюдения показали, что он относится ко всем влияющим на организм абиотическим и биотическим факторам. Это может быть и конкуренция, хищничество и паразитизм.

Кругооборот веществ в биосфере

Процессы фотосинтеза органических веществ продолжаются сотни миллионов лет. Но поскольку Земля конечное физическое тело, то любые химические элементы также физически конечны. За миллионы лет они должны, казалось бы, оказаться исчерпанными. Однако этого не происходит. Более того, человек постоянно интенсифицирует этот процесс, повышая продуктивность созданных им экосистем.

Все вещества на нашей планете находятся в процессе биохимического кругооборота веществ. Выделяют два основных кругооборота: большой или геологический и малый или химический.

Большой кругооборот длится миллионы лет. Он заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, продукты разрушения сносятся потоками воды в Мировой океан или частично возвращаются на сушу вместе с осадками. Процессы опускания материков и поднятия морского дна в течение длительного времени приводят к возвращению на сушу этих веществ. И процессы начинаются вновь.

Малый кругооборот, являясь частью большого, происходит на уровне экосистемы и заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и жизненные процессы. Продукты распада почвенной микрофлоры вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям, и вновь вовлекаются в поток вещества.

Кругооборот химических веществ из неорганической среды, проходя через растения и тела животных, возвращается обратно в неорганическую среду при этом, используя солнечную энергию химической реакций, называется биохимическим циклом.

 

1 .Кругооборот углерода

Сложный механизм эволюции на Земле определяется химическим элементом - «углеродом». Углерод - составная часть скальных пород и в виде СО₂- часть атмосферного воздуха. Источники СО₂: вулканы, дыхание, лесные пожары, сжигание топлива, промышленность и др.

Атмосфера интенсивно обменивается СО₂ с мировым океаном, где его в 60 раз больше, чем в атмосфере, т.к. СО₂ хорошо растворяется в воде (чем ниже температура, тем выше растворимость, т.е. СО₂ больше в низких широтах). Океан действует как гигантский насос: поглощает СО₂ в холодных областях и частично «выдувает» в тропиках.

Избыточное количество СО₂ в океане соединяется с водой, образуя угольную кислоту. Соединяясь с Са, К, Na образует стабильные соединения в виде карбонатов, которые оседают на дно.

Фитопланктон в океане в процессе фотосинтеза поглощает СО₂. Умирая, организмы попадают на дно и становятся частью осадочных пород. Это показывает взаимодействие большого и малого кругооборотов веществ.

Углерод из молекулы СО₂ в ходе фотосинтеза включается в состав глюкозы, а затем в состав более сложных соединений, из которых построены растения. В дальнейшем они переносятся по пищевым цепям и образуют ткани всех остальных живых организмов в экосистеме и возвращаются в окружающую среду в составе СО₂.

Также углерод присутствует в нефти и угле. Сжигая топливо, человек также завершает цикл углерода, содержащегося в топливе - так возникает биотех­ни­ческий кругооборот углерода.

Оставшаяся масса углерода находится в карбонатных отложениях дна океана (1,3 - 10¹⁶ т), в кристаллических породах (1 - 10¹⁵ т), в угле и нефти (3,4 - 10¹⁵ т). Этот углерод принимает участие в экологическом кругообороте. Жизнь на Земле и газовый баланс атмосферы поддерживается относительно небольшим количеством углерода (5 - 10⁹ т).

2. Кругооборот фосфора

Этот элемент входит в состав генов и молекул, переносящих энергию внутри клеток, в костную ткань. В различных минералах фосфор содержится в виде ионов PO₄^3-. Фосфаты растворимы в воде, но не летучи. Растения поглощают ионы PO₄^3- из водного раствора и включают в состав различных органов соединений. По пищевым цепям он переходит от растений к другим организмам. На каждом этапе фосфор может быть выведен из организма в составе мочи.

Разница круговорота фосфора с кругооборотом углерода - в кругообороте углерода есть газообразная фаза (СО₂), у фосфора газовой фазы нет.

Фосфаты циркулируют в экосистеме лишь в том случае, если содержащие фосфор отходы жизнедеятельности откладываются в местах поглощения данного элемента. В естественных экосистемах так и происходит. Фосфор может также поступать с моющими средствами и удобрениями.

3. Кругооборот азота

Азот входит в состав белков.

Кругооборот азота несколько сложен, т.к. он включает газообразную и минеральную фазы.

Основная часть азота находится в воздухе (78%). Однако растения не могут усваивать азот непосредственно, а только в виде ионов NH₄⁺ и NO₃^-.

Существуют бактерии и сине-зелёные водоросли, способные превращать газообразный азот в ионы. Важнейшую роль среди азотофиксирующих организмов играют бактерии, живущие на клубеньках бобовых растений. Растения обеспечивают бактерии местообитанием и пищей (сахарами), получая от них взамен доступную форму азота. По пищевым цепям органический азот передаётся от бобовых к другим организмам экосистемы. Органические соединения азота после гибели организмов при помощи бактерий разлагаются до аммиака и нитратов (NO₃). Нитраты частично вновь поглощаются растениями, частично восстанавливаются до N₂, вновь поступающего в атмосферу.

Насколько регулярно осуществляется кругооборот любого элемента, зависит продуктивность экосистемы, что важно для сельского хозяйства и выращивания лесов. Вмешательство человека нарушает процессы кругооборота. Вырубка леса и сжигание топлива влияет на кругооборот углерода. Считается, что время переноса в атмосфере углерода - 8 лет, азота - 110 лет, кислорода - 2500 лет.

Кругооборот воды

Нам знакомы три состояния воды: твёрдое - лёд, жидкое - собственно вода, газообразное - водяной пар. Количество водяного пара в воздухе определяют как влажность, обычно в процентах.

Главный источник поступления воды - атмосферные осадки, а главный источник расхода - испарение.

Продолжительность кругооборота: океан (3000 лет), подземные воды (5000 лет), полярные ледники (8500 лет), озера (17 лет), реки (10 дней), вода в живых организмах - несколько часов.

Так как океаны занимают 70% поверхности Земли, то вода попадает в воздух, главным образом, испаряясь с их поверхности.

Когда воздух, максимально насыщенный водяным паром, охлаждается, то вода конденсируется: её молекулы соединяются в капельки. В атмосфере вода конденсируется на частичках пыли, в результате чего образуются туман и облака. Когда эти капли или кристаллики льда становятся достаточно крупными, то идёт дождь или снег.

При испарении в воздух поднимаются только молекулы воды, а соли и другие вещества остаются на земле. Когда водяной пар конденсируется, из него образуется только вода. Таким образом, литосфера и атмосфера работают как гигантский опреснитель и очиститель.

Биотический потенциал и сопротивление среды

Сохранение или рост численности зависит не только от скорости размножения (число новорожденных, отложенных яиц, произведённых семян или спор в единицу времени). Не менее важно и пополнение взрослого состава популяции за счёт потомства. Высокая скорость размножения при низких темпах пополнения не может существенно увеличить её численность.

И, напротив, размер популяции может расти за счёт увеличения темпов пополнения при малой скорости размножения. Это относится к людям (рождаемость низкая, но и детская смертность низкая, поэтому практически все дети доживают до взрослого возраста).

Другим важным фактором, ведущим к росту популяции, относится способность животных мигрировать, а семян рассеиваться на новых территориях, приспосабливаться к новым местам обитания и заселять их, имея наличие защищённых механизмов и устойчивость к неблагоприятным условиям среды и болезням.

Биотический потенциал - это совокупность факторов, способствующих увеличению численности вида.

У разных видов составляющие биотического потенциала неодинаковы, но они имеют одно общее свойство - стремительное увеличение численности при благоприятных условиях среды. В естественных условиях это наблюдается редко. Вероятность того, что все условия окажутся благоприятными очень низка. Обычно один или несколько факторов становятся лимитирующими (температура, влажность, солёность, хищники, паразиты, нехватка пищи). Сочетание всех таких «ограничителей» называют сопротивлением среды. Сильнее всего они действуют на молодых особей, а это снижает темпы пополнения. При более суровых условиях гибнет часть взрослых особей.

Следовательно, рост, снижение и постоянство популяции зависит от соот­но­шения между биотическим потенциалом и сопротивлением среды.

 

 

 

 

Принцип изменения популяции - это результат нарушения равновесия между биотическим потенциалом и сопротивлением окружающей её среды.

Подобное равновесие является динамическим, т.е. непрерывно регули­рую­щимся, т.к. факторы сопротивления среды редко долго остаются неизменными. Например, в один год численность популяции снизилась из-за засухи, а в следующий год полностью восстановилась при обильных дождях. Подобные колебания продолжаются неопределённо долго. Равновесие - понятие относи­тельное. Иногда амплитуда отклонений мала, иногда значительна, но пока сократившаяся популяция способна восстановить прежнюю численность, она существует.

Равновесие в природных системах зависит от плотности популяции, т.е. числа особей на единицу площади. Если плотность популяции растёт - сопротивление среды увеличивается, в связи с этим увеличивается смертность и рост численности прекращается. И, наоборот, с уменьшением плотности популяции сопротивление среды ослабевает и восстанавливается прежняя численность.

Воздействие человека на природу часто приводит к вымиранию популяции, т.к. не зависит от ее плотности. Разрушение экосистем, загрязнение окружающей среды одинаково влияют на популяции как с низкой, так и высокой плотностью.

Кроме этого, биотический потенциал зависит от критической численности популяции. Если численность популяции (оленей, птиц или рыб) падает ниже этой величины, гарантирующей воспроизводство, биотический потенциал стремится к нулю и вымирание неизбежно.

Существование может быть поставлено под угрозу, даже когда множество представителей вида живы, но живут в домашних условиях, т.е. изолированы друг от друга (попугаи).

Равновесие экосистемы

Гомеостаз - это состояние подвижно-стабильного равновесия экосистемы («гомео» - тот же, «стазис» - состояние).

Равновесие в экосистемах поддерживается процессами с обратнойсвязью.

Рассмотрим простейшую экосистему: заяц-рысь, состоящую из двух трофических уровней.

	Рост популяции жертвы (заяц)		Рост популяции хищника (рысь)

 

 

Когда численность зайцев невелика, каждый из них может найти достаточно пищи и удобное укрытие для себя и своих детёнышей, т.е. сопротивление среды невысоко, и численность зайцев увеличивается несмотря на присутствие хищника. Изобилие зайцев облегчает рыси охоту и выкармливание детёнышей. В результате численность хищника также возрастает. В этом проявляется обратная положительная связь. Однако с ростом численности зайцев уменьшается количество корма, убежищ и усиливается хищничество, т.е. усиливается сопротивление среды. В результате численность зайцев снижается. Охотиться хищникам становится труднее, они испытывают нехватку пищи и их численность падает. В этом проявляется обратная отрицательная связь, которая компенсирует отклонения и возвращает экосистему в исходное состояние.

Подобные колебания происходят периодически вокруг среднего уровня (рис. 8).

 

Численность

заяц

 

 

рысь

 

 

время

резкое изменение гибель

факторов

 

Рис. 8. Пример обратной связи

При некоторых условиях обратная связь может быть нарушена. Например, на зайцев стал охотиться другой хищник или среди зайцев возникла инфекционная болезнь. При этом происходит нарушение сбалансированности системы, которое может быть обратимым или необратимым. Роль помех могут играть и абиотические факторы. Засуха снижает продуктивность растений и ограничивает пищу для зайцев, что немедленно отразится на хищнике.

При появлении помех в системе «заяц-рысь» станет меньше и зайцев, и рысей. Стабильность системы в целом не нарушается, но объём трофических уровней изменится. При этом новый уровень стабильности опять будет обеспечиваться механизмами обратной связи.

Понятно, что давление помех не может быть беспредельным. При массовой гибели зайцев экосистема за счёт обратной отрицательной связи не может компенсировать отклонения. Тогда данная система прекратит своё существование.

Ту область, в пределах которой механизмы отрицательной обратной связи способны сохранить устойчивость системы, хотя и в изменённом виде, называют гомеостатическим плато (рис. 9).

Экосистемы тем стабильнее во времени и пространстве, чем они сложнее, т.е. чем больше видов организмов и пищевых связей.

 

 

		нижний предел отрицательной связи

 

 

 

Рис. 9. Пример гомеостаза

Экологическая ниша

Местообитание - это место, где живёт организм (лес, луг, болото, внутри другого организма).

Экологическая ниша - пространственно-временное положение организма в рамках экосистемы (где, когда и чем питается, где устраивает гнездо и т.п.).

На первый взгляд кажется, что животные должны конкурировать друг с другом за пищу и убежища. Однако это происходит редко, т.к. они занимают разные экологические ниши. Пример: дятлы извлекают личинки из-под коры, воробьи питаются зерном. И мухоловки и летучие мыши ловят мошкару, но в разное время - днём и ночью. Жираф поедает листья с верхушек деревьев и не конкурирует с другими травоядными.

У каждого вида животных своя ниша, что сводит к минимуму конкуренцию с другими видами. Поэтому в сбалансированной экосистеме присутствие одного вида обычно не угрожает другому.

Адаптация к разным нишам связана с действием закона лимитирующего фактора. Пытаясь использовать ресурсы за пределами своей ниши, животное сталкивается со стрессом, т.е. с ростом сопротивления среды. Иными словами, в собственной нише его конкурентоспособность велика, а вне - значительно ослабевает или пропадает вовсе.

Адаптация животных к определённым нишам заняла миллионы лет и протекала в каждой экосистеме по-своему. Ввезённые из других экосистем, виды могут вызвать вымирание местных, именно в результате успешной конкуренции за их ниши.

Пример: скворцы, завезённые в Северную Америку из Европы, за счёт своего агрессивного территориального поведения вытеснили местных «синих» птиц.

Концепция экологической ниши применима и к растениям. Как и у животных их конкурентоспособность высока лишь в определённых условиях. Пример: платаны растут по берегам рек и в поймах, дубы на склонах. Платан, приспособлен к переувлажнённой почве. Семена платана распростра­няются вверх по склону, и этот вид может расти там при отсутствии дубов. Аналогично жёлуди, попадая в пойму, гибнут из-за избытка влаги и не способны конкурировать с платанами.

Экологическая ниша человека - состав воздуха, воды, пищи, климатические условия, уровень электромагнитного, ультрафиолетового, радиоактивного излучения и пр.

Адаптация, изменение или вымирание экосистем

В природе каждое поколение любого вида подвергается отбору на выживаемость и воспроизводство. Особи, которые выживают и размножаются, передают свои гены следующему поколению, а гены тех, что погибли, не оставив потомства, отсеиваются из генофонда. Таким образом, генофонд каждого вида испытывает действие естественного отбора. Поэтому почти все признаки организма служат выживанию и воспроизводству.

Адаптация - это процесс приспособления живых организмов к определён­ным условиям внешней среды.

Существуют следующие виды адаптации:

1. Адаптация к климатическим и другим абиотическим факторам (чистая шерсть, перелёт птиц на юг, зимняя спячка у медведей, опадение листвы, холодостойкость хвойных деревьев).

2. Адаптация к добыванию пищи и воды (у жирафа - длинная шея, чтобы есть листья с деревьев, паук плетёт сеть, хищники - быстро бегают, длинные корни растений в пустыне).

3. Адаптация, направленная на защиту от хищников и устойчивость к заболеваниям и паразитам (заяц - быстрый бег и сезонная окраска, ёж - иглы).

4. Адаптация, обеспечивающая поиск и привлечение партнёра у животных, и опыление у растений (яркое оперение, пение, запах, насыщенный цвет у цветков растений).

5. Адаптация к миграциям у животных и распространение семян у растений (перелёт птиц, стада лошадей, крылья у семян для переноса ветром, колючки у растений).

При изменении любого абиотического или биотического фактора вид ожидает один из трёх путей:

1. Миграция - часть популяции может найти новое местообитание с подходящими условиями и продолжить там своё существование.

2. Адаптация - в генофонде могут присутствовать гены, которые позволят некоторым особям выжить в новых условиях и восстановить потомство. Через несколько поколений под действием естественного отбора возникнет популяция, хорошо приспособившаяся к новым условиям.

3. Вымирание - если ни одна пара особей не может мигрировать, спасаясь от воздействия неблагоприятных факторов, а те выходят за пределы устойчивости всех индивидов, то популяция исчезнет (динозавры).

Это означает, что в разные периоды истории Земля была населена разными существами. Ни одному виду не гарантировано выживание. Ископаемые остатки свидетельствуют, что виды появляются, распростра­няются, дают начало другим видам и в большинстве случаев вымирают. По мере изменения условий существования, некоторые виды адаптируются и преобразуются, а другие вымирают. Что же определяет их судьбу? Выживание вида обеспечивается его генетическим разнообразием и слабыми колебаниями внешних условий. Если генофонд очень разнообразен, даже при сильных изменениях среды некоторые особи сумеют выжить. При низком разнообразии генофонда, наоборот, малейшее изменение среды может привести к вымиранию вида, поскольку гены, позволяющие особям противостоять отрицательному воздействию, не найдутся.

Если изменения малозаметны и/или происходят постепенно, большинство видов сумеет приспособиться и выжить. Возможны такие катастрофические изменения (ядерная война), что не выживет ни один вид.

На выживание также влияет географическое распространение. Чем шире распространён вид, тем, как правило, выше его генетическое разнообразие и наоборот. Кроме того, при обширном ареале некоторые его участки могут быть удалены или изолированы от районов, где нарушались условия существования, в них вид сохранится, даже если исчезнет из других мест.

Если в новых условиях часть особей выжила, то восстановление популяции и дальнейшая адаптация будут зависеть от скорости воспроизведения, поскольку изменение признаков происходит только путём отбора в каждом поколении.

Например, пара насекомых даёт несколько сотен потомков, которые проходят жизненный цикл в течение несколько недель. Скорость воспроизведения у насекомых в тысячу раз выше, чем у птиц, выкармливающих 2-6 птенцов в год, и соответственно одинаковый уровень приспособленности к новым условиям разовьётся во столько же раз быстрее. Стоит ли удивляться, что насекомые быстро адаптируются и приобретают устойчивость к применяемым против них пестицидам, тогда как другие дикие виды от этого гибнут.

Важны и размеры организма. Мухи могут существовать и в мусорном ведре, тогда как крупным животным для выживания нужны обширные пространства.

Сельское хозяйство с его узкой генетической базой оказывается беззащитным. Сокращение генетического разнообразия с одной стороны и ускоряющееся ухудшение окружающей среды с другой стороны, не способствуют устойчивости биосферы. Поэтому в ближайшие 50 лет человечеству предстоит сделать выбор: или создать устойчивую человеческую экосистему, или стать свидетелями глобальной катастрофы.

 

Экологический менеджмент

За последнее время ведущими отечественными предприятиями накоплен большой опыт предотвращения отрицательного воздействия на окружающую среду при одновременном увеличении объёмов производства, снижении удельных расходов сырья и материалов, экономии энергоресурсов, улучшении качества продукции. В этой ситуации экологическая деятельность предприятий становится экономически оправданной.

В течение последних 5 - 10 лет в мире наблюдается рост осознания того, что эффективное управление окружающей средой является важным фактором решения основных задач компании, тесно связанным с системой менеджмента качества. Этот фактор принято рассматривать как неотъемлемую часть общей системы управления предприятием, основанную на применении современных информационных технологий.

Всё больше и больше компаний используют серию международных стандартов ISO 14000 для внедрения у себя систем управления окружающей средой (СУОС) в соответствии с современными требованиями.

Сам термин управление окружающей средой (environmental management) введен официальным российским переводом этих стандартов как более точный по сравнению с применяемым термином "охрана окружающей среды", поскольку подавляющее большинство предприятий, строго говоря, окружающую среду не охраняет, а загрязняет. И задача состоит в том, чтобы ущерб, наносимый предприятием окружающей среде, был не слишком велик. Иногда управление окружающей средой и соответствующие системы для краткости называют экологическим менеджментом и системами экологического менеджмента.

Для внедрения СУОС используются следующие основные международные стандарты:

· ИСО 14001. СУОС. Требования и руководство по применению;

· ИСО 14004. СУОС. Общие руководящие указания по принципам, системам и средствам обеспечения функционирования;

· ИСО 14010. Руководящие указания по экологическому аудиту. Основные принципы;

· ИСО 14011. Руководящие указания по экологическому аудиту. Процедуры аудита систем управления окружающей средой;

· ИСО 14012. Руководящие указания по экологическому аудиту. Квалифи­кационные критерии для аудиторов в области экологии.

· ИСО 14031. Управление окружающей средой. Оценивание экологической эффективности. Общие требования.

Существуют и другие стандарты в этой серии.

Подход серии стандартов ISO 14000 к деятельности предприятий отражает очевидный факт: продукцию и отходы предприятие выпускает одновременно. Поэтому уделять внимание продукции и не уделять внимание отходам сегодня уже невозможно.

 

Внедрение системы управления окружающей средой

После того, как руководство предприятия приняло решение о внедрении серии стандартов ISO 14000, сертификации системы управления окружающей средой (экологического менеджмента) и привлечении консалтинговой компании, дальнейшую деятельность можно разбить на три основных фазы.

Первая фаза

Вторая фаза

На данном этапе может потребоваться совершенствование организационной структуры предприятия с учётом сферы ответственности и полномочий… Может потребоваться проведение одного или более "нулевых" внутренних…

Третья фаза

Помощь специалистов-консультантов полезна при переходе к реальным шагам по внедрению СУОС: разработке и реализации программы экологического… Особое значение имеет внедрение на предприятии программного обес­пе­чения для…  

Приложение 1

Темы докладов

1. Атмосфера, её строение и основные характеристики.

2. Гидросфера, её строение и основные характеристики.

3. Литосфера, её строение и основные характеристики.

4. Особо охраняемые природные территории.

5. Биогеохимические циклы.

6. Негативные последствия применения пестицидов.

7. Влияние гражданской авиации на атмосферу.

8. Влияние гражданской авиации на гидросферу.

9. Влияние гражданской авиации на литосферу.

10. Хемо и фотосинтез.

11. Эвтрофикация водоёмов.

12. Автотранспорт и экология города.

13. Альтернативные источники энергии.

14. Антропогенные воздействия на биосферу.

15. Антропогенные загрязнения почвенного покрова.

16. Атомные станции.

17. Биогеофизические круговороты веществ в природе.

18. Биосфера и ноосфера.

19. Влияние деятельности человека на биосферу. Проблемы городских отходов.

20. Влияние интенсификации сельского хозяйства на природопользование и экологию человека.

21. Влияние парникового эффекта на изменение климата Земли.

22. Влияние природного радиоактивного фона на здоровье человека.

23. Влияние электромагнитного поля на живые организмы и защита от вредного воздействия электромагнитного поля.

24. Воздействие электростанций на окружающую среду.

25. Гидроэлектростанции и связанные с ними экологические проблемы.

26. Использование солнечной энергии.

27. Использование ветровой энергии.

28. Катастрофы и стихийные бедствия.

29. Кислотный дождь и условия их образования.

30. Круговорот кислорода, углерода, азота, фосфора и серы в биосфере.

31. Круговорот кислорода. Озоновый экран.

32. Малоотходные и безотходные технологии.

33. Пестициды и удобрения. Их роль.

34. Разрушение озонового слоя земли хлорфторуглеводородами.

35. Юридическая ответственность за экологические правонарушения.

 

 

Приложение 2

Контрольные вопросы для подготовки к экзамену

1. Экология – её определение и структура.

2. Факторы среды обитания – схема.

3. Абиотические факторы среды обитания, их характеристика.

4. Симбиоз - определение, виды.

5. Антибиоз - определение, виды.

6. Закон минимума Либиха.

7. Закон толерантности.

8. Закон лимитирующих факторов.

9. Природные ресурсы земли, определение и общая характеристика (классификация по принципу исчерпаемости).

10. Классификация природных ресурсов.

11. Перечислите физические факторы загрязнения окружающей среды.

12. Дайте определение и перечислите виды звукового воздействия.

13. Укажите объективные характеристики шума.

14. Укажите субъективные характеристики шума.

15. Дайте определение, перечислите виды и особенности электромагнитного воздействия.

16. Перечислите техногенные источники образования электромагнитного поля.

17. Укажите причины образования теплового воздействия.

18. Укажите причины образования ионизирующего излучения.

19. Укажите причины образования вибрационного загрязнения.

20. Дайте характеристику и перечислите причины аварийно-залпового загрязнения.

21. Укажите причины образования ландшафтных нарушений и их последствия.

22. Перечислите, какие виды дорожных покрытий существуют, в чём их особенность, пути расчёта истирания этих покрытий.

23. Укажите группы особых факторов, возникающих в "краевых зонах" изменённых ландшафтов.

24. Укажите причины биологического загрязнения биосферы и меры его контроля.

25. Классификация экологического мониторинга.

26. Что такое комплексный экологический мониторинг и что он предусматривает?

27. Типы предельно допустимых концентраций в воздушной среде.

28. Типы предельно допустимых концентраций в водной среде.

29. Типы предельно допустимых концентраций в почве.

30. Что служит в качестве критерия количественной оценки уровня загрязнения окружающей среды?

31. Перечислите последствия для окружающей среды Чернобыльской катастрофы на примере эволюционного развития.

32. Особенности звукового воздействия на поведение человека.

33. Дайте определение природопользованию и рациональному природопользованию.

34. Оксид серы, воздействие на биосферу.

35. Оксиды азота, воздействие на биосферу.

36. Оксид углерода II, воздействие на биосферу.

37. Пыль, воздействие на биосферу.

38. Озон, воздействие на биосферу.

39. Как влияют отклонения от нормального диапазона звукового воздействия на окружающую среду?

40. Дайте определение безотходной технологии.

41. Дайте определение безотходной технологической системе.

42. Чем характеризуется конечная продукция?

43. На каких предпосылках базируется теория безотходных технологических процессов?

44. На чём базируется комплексный подход к оценке степени безотходности?

45. Перечислите и кратко дайте характеристику принципу создания безотходного производства.

46. Дайте характеристику комплексному использованию сырья.

47. Безотходное потребление, его особенности и пути достижения.

48. Особенности безопасного и социально-экологического контроля.

49. Основные требования к проведению экологического контроля.

50. Перечислите виды контроля за состоянием окружающей среды.

51. Какие методы применяют для снижения давления на окружающую среду?

52. Что такое экологический мониторинг?

53. Для чего нужна экологическая экспертиза.

54. Что является объектами государственной экологической экспертизы?

55. Перечислите и дайте краткую характеристику этапам экологического сопровождения хозяйственной деятельности.

56. В чём заключается экологическое правонарушение?

57. Дайте характеристику вреда окружающую среду.

58. В чём заключается правонарушение в загрязнении воды?

59. В чём заключается правонарушение в загрязнении биосферы?

60. В чём заключается правонарушение в загрязнении морской среды?

61. В чём заключается правонарушение в порче земли?

62. В чём заключается правонарушение в уничтожении или повреждении лесов?

63. В чём заключается правонарушение в уничтожении критических местообитаний?

64. Дайте характеристику незаконной охоте.

65. В чём заключается правонарушение в нарушении правил обращения с экологически опасными веществами и отходами?

66. Эколого-правовая ответственность, определение аспекты.

67. Экологические правонарушения (предмет, субъект, сфера действия).

68. Три элемента экологического правонарушения.

69. Характеристики дисциплинарной ответственности.

70. Характеристики материальной ответственности.

71. Характеристики административной ответственности.

72. Характеристики уголовной ответственности.

73. Характеристики гражданско-правовой ответственности.

74. Функции ответственности за экологические правонарушения.

75. Три уровня наказания за экологическое правонарушение.

76. Определение и характеристики экоцида.

77. Дайте определение понятию устойчивого развития.

78. Направления достижения устойчивого развития.

79. Ресурсный потенциал ландшафта.

80. В чём заключается эколого-экономическая оценка использования природных ресурсов?

81. Чем поддерживается гомеостаз природных систем?

82. Блоки гомеостаза.

83. Пути обеспечения экологической безопасности.

84. Особенности воздействия энергетики на окружающую среду.

85. Перечислите основные экологические проблемы тепловой энергетики.

86. Воздействие теплоэлектростанции на окружающую среду.

87. Перечислите основные экологические проблемы гидроэнергетики.

88. Дайте определение зоне аэродрома (аэропорта).

89. Зоны загрязнения атмосферы.

90. Дайте определение взлётно-посадочному циклу.

91. Что в себе содержит понятие стандартная атмосфера?

92. Дайте определение валовому выбросу вещества.

93. Дайте определение индексу эмиссии.