ЭКОЛОГИЯ
Учебно-методический комплекс для всех специальностей
ЭКОЛОГИЯ
Конспект лекций
Допущено к изданию редакционно-издательским советом университета
В конспекте лекций излагаются основные положения современной экологии; рассматриваются экосистемы и биосфера в целом, взаимосвязь потоков вещества и энергии в экосистемах, вопросы биологической продуктивности и динамики экосистем, основные отличия агроэкосистем от природных экосистем; излагаются структура биосферы и взаимосвязь космических явлений и происходящих на Земле процессов, основные среды жизни в биосфере и адаптации к ним организмов; описываются условия биологического разнообразия, круговороты основных химических элементов; дается концепция устойчивого существования биосферы; показано значение экологическою образования в воспитании ответственности человечества за будущее биосферы.
Рецензенты: канд. техн. наук доц. Т.И. Богачева (МГТУ им. А.Н. Косыгина),
д-р техн. наук проф. А.А. Захарова (МГУДТ).
Подготовлено к печати на кафедре процессов и аппаратов химической технологии и безопасности жизнедеятельности
Человек не только познает природу, но и активно воздействует на нее, причем именно практическая деятельность позволяет человеку раскрыть свойства и… От уровня зрелости экологического мышления людей, понимания ими значимости… В настоящее время отношение человека к природе приобретает такую же моральную значимость, как и отношение человека к…
Когда на Солнце происходит вспышка – попросту говоря, гигантский ядерный взрыв, облако плазмы направляется к Земле. За 24…48 ч оно подходит к нашей… Как уже отметили медики, во время магнитных бурь наблюдается возрастание числа… Прежде всего магнитные бури действуют на системы, близкие к границе неустойчивости. Порой достаточно небольшого…
Далее по мере приближения к поверхности Земли, на расстоянии приблизительно 77000 км до нее, расположена магнитопауза, в которой напряженность… Об иссякании корпускулярного излучения можно говорить, имея в виду лишь… Ясно, что именно эта высота и может быть предельным уровнем временного обитания космических станций с людьми. На…
Установлена четкая корреляция между 11-летней периодичностью активности Солнца и среднегодовыми уровнями океанов и морей, их соленостью,… Кроме того, установлено влияние солнечной активности на возникновение и ход… Внезапное повышение уровня солнечной активности и связанные с ними возмущения магнитного поля Земли сами по себе не…
Оболочка, состоящая из земной коры и части верхней мантии, называется литосферой (греч. «литос» – камень). Ее толщина от 50 км в океанической части… Водная оболочка Земли называется гидросферой (водная геосфера). Большую часть… Далее идет атмосфера (воздушная геосфера). Это самая верхняя и наименее плотная из всех земных геосфер. Нижняя граница…
Пределы температур, в которых сохраняются некоторые формы жизни (в латентном состоянии), – от практически абсолютного нуля до +180 °С; пределы… Живые организмы могут существовать в среде, имеющей широкий диапазон… Отдельные особо устойчивые формы могут существовать даже при действии ионизирующей радиации. Например, некоторые…
Биологические процессы, осуществляющиеся в живых организмах, представляют собой сложные организованные в циклы цепи реакций. На воспроизведение их в… В.И. Вернадский подчеркивал, что живое вещество – самая активная форма материи…
Виды могут очень резко отличаться друг от друга. А есть ли в их организации нечто общее, что и позволяет использовать термин «вид»? Именно выделение… Важным положением биологической концепции является утверждение о том, что виды… Традиционно важным критерием существования двух видов считалась нескрещиваемость их представителей. Э. Майр в рамках…
Совокупность всех генов аллелей популяции называют популяционным генофондом, а все генные аллели всех популяций данного вида составляют его видовой… Если в результате мутации возникает новый аллель и обладающие им особи…
Признаки – это лишь отражение генотипа. В действительности происходит отбор и размножение генных аллелей, определяющих данный признак, и отсев… Изменить генофонд можно и путем скрещивания близкородственных видов… В последние годы разработана технология, позволяющая получать специфические гены (отрезки ДНК) одного вида и вводить…
Только во время популяционных взрывов доля выживающих особей повышается, но такие периоды продолжаются недолго и охватывают лишь несколько… Таким образом, в природе каждое поколение любого вида подвергается… Поэтому неудивительно, что практически все признаки организмов в той или иной мере служат выживанию и воспроизведению…
Можно ожидать, что с повышением степени приспособленности организмов к местам обитания и экологическим нишам скорость их изменения будет… После того как данный признак достигнет своего достаточного (оптимального)… 3.6. Видообразование
Водная среда была первой, в ней возникла и распространилась жизнь. Затем живые организмы овладели наземно-воздушной средой, создали и заселили… Приспособление организмов к среде получило название адаптации. Во всем… Активный путь – это усиление сопротивляемости, развитие регуляторных процессов, позволяющих осуществить все жизненные…
Некоторые свойства среды остаются относительно постоянными на протяжении длительных периодов эволюции видов. Таковы сила притяжения, солнечная… Изменения факторов среды во времени могут быть:
периодическими, меняющимися во времени, меняющими силу воздействия в связи со временем суток или сезоном года или…
Требованиями того или иного организма к факторам среды обусловливаются границы его распространения (ареал) и место, занимаемое в экосистеме.
Экологическая ниша – положение вида в биогеоценозе, комплекс его биотических… Таким образом, экологическая ниша определяет не только положение вида в пространстве, но и его функциональную роль в…
Динамика популяции
При расчетах биотический потенциал чаще всего выражают коэффициентом , означающим максимально возможный прирост популяции за отрезок времени ,… , (5.1)
откуда
У многих крупных позвоночных животных при относительно постоянных условиях внешней среды численность в основном держится на постоянном уровне,… Напротив, в популяциях многих насекомых даже ежегодные колебания численности… Кроме подобных нерегулярных колебаний у ряда организмов выявлены периодические колебания численности с достаточно…
К не зависящим от плотности факторам относят абиотические факторы среды. Например, такие факторы, как суровая зима, сильный шторм или… К зависящим от плотности факторам следует отнести большинство биотических… Однако зависимость численности от плотности может быть и более сложной. Так, при невысокой плотности популяций мелких…
При росте плотности популяции снижается степень обеспеченности пищей. У многих животных от потребления пищи прямо зависит плодовитость: при… Другой пример внутривидовых взаимодействий, регулирующих плотность, –… Важный фактор, зависящий от плотности, – степень распространения заболеваний. Обычно вероятность передачи инфекций…
Каждому биоценозу свойственно видовое разнообразие, т.е. определенное число видов, характерное для данного места обитания. Например, биоценоз тундры… В зависимости от численности вида в биоценозе различают комплексы доминант,… Каждый биоценоз имеет определенную структуру. Это связано с ярусным расположением атмосферы, горных пород, почв и…
В ряде случаев в роли главных лимитирующих факторов выступают не только температура и влажность, но и некоторые другие абиотические параметры среды… 6.6. Биотические факторы
В роли лимитирующих факторов нередко выступают и биотические факторы, т.е. воздействие одних видов организмов на…
Взаимодействие биотических и абиотических факторов
Ни один из факторов среды не действует на экосистему изолированно, без взаимосвязи с другими факторами. Конечное состояние – результат последовательных многочисленных взаимодействий различных абиотических и биотических условий. Порой связь между первопричиной и конечным результатом сложна и запутанна. Например, засуха может привести к гибели птиц, что вызовет рост численности насекомых, которыми они питались, а это повлечет за собой массовое поражение растений, служащих пищей для других организмов.
Таким образом, существование экосистем поддерживается очень тонким взаимодействием лимитирующих факторов, влияющих на все виды организмов. Следовательно, изменение любого биотического или абиотического фактора неизбежно приводит в действие цепную реакцию с далеко идущими последствиями.
Симбиотические отношения (греч. sym – вместе и bios – жизнь), или сожительство, – форма взаимоотношений, при которой или оба партнера имеют выгоду… Кооперация – форма взаимоотношений, при которой оба партнера имеют выгоду друг… Мутуализм (лат. mutuus – взаимный) – широко распространенная форма взаимополезного сожительства, когда присутствие…
Если сообщество существовало в достаточно постоянных условиях миллионы лет, то виды, входящие в его состав, могли за это время достигнуть большого… Еще недавно считалось, что тропические леса – наиболее древние стабильные… Количество образуемого растениями органического вещества – продуктивность – тоже влияет на разнообразие. В сообществах…
Сходство экологической структуры сообществ, имеющих разный видовой состав, – одно из замечательнейших явлений. Именно это сходство позволяет… Экологические двойники возникают в ходе параллельной эволюции. Похожая среда…
Запас органических веществ, расходуемых в процессе диссимиляции, должен непрерывно пополняться либо за счет пищи, как это происходит у животных,… Реакции пластического и энергетического обменов находятся в неразрывной связи… Обмен веществ клетки заключается в многочисленных физических и химических реакциях, объединенных в единое…
Распад органических веществ происходит в процессе их окисления. Распад без доступа кислорода (анаэробный процесс) называют брожением, при участии… Отсюда видно, что основную роль в обеспечении клетки энергией играет дыхание.
Автотрофные клетки способны к самостоятельному синтезу необходимых для них органических соединений из CO2, воды и энергии света (фотосинтез) или… Гетеротрофные клетки не могут синтезировать органическое вещества из… Фотосинтез – процесс преобразования энергии света в химическую энергию органических соединений, синтезируемых в…
В зависимости от характера взаимодействия систем с внешней средой их можно подразделить на замкнутые (изолированные), закрытые и открытые.
Замкнутая (изолованирная) система – система, у которой отсутствует обмен… Закрытые системы – системы, которые могут обмениваться энергией с внешней средой, например путем теплообмена или…
Непрерывный поток солнечной энергии, воспринимаясь молекулами живых клеток, преобразуется в энергию химических связей. Создаваемые таким образом… Этот переход рассматривается как последовательный упорядоченный поток вещества… Если система не находится в состоянии термодинамического равновесия, то потенциалы ее элементов не равны друг другу и…
Живые организмы, входящие в состав биогеоценоза, неодинаковы с точки зрения специфики ассимиляции ими вещества и энергии. В отличие от растений… Трофическая цепь – это цепь последовательной передачи и эквивалентной ему… Трофические цепи могут быть относительно простыми, например «осина – заяц – лиса», и сложными, например «трава –…
Валовая первичная продукция – количество вещества, создаваемого растениями за единицу времени при данной скорости фотосинтеза. Часть этой продукции… Гетеротрофы, включаясь в трофические цепи, живут, используя чистую первичную… Следствием недостаточной утилизации продуктов распада в цепях разложения является накопление в системе мертвого…
Большой круговорот длится сотни тысяч или миллионы лет. Он заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, выветриванию, а продукты… Малый круговорот является частью большого, происходит на уровне биогеоценоза и… Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую…
Эта несбалансированность процессов синтеза и разложения органических веществ в биосфере определила кислородный режим современной оболочки Земли.
Кислород атмосферы накоплен благодаря фотосинтезу. Единственный источник… Накопление кислорода в атмосфере Земли началось еще 2 млрд. лет тому назад, и в настоящее время его содержание…
Биологический круговорот углерода – составная часть большого круговорота, который связан с жизнедеятельностью организмов. Углерод, содержащийся в… Один из источников поступления СО2 в атмосферу – результат дыхания живых… Определенная часть углерода накапливается в виде мертвой органики, переходя в состояние ископаемого. Так, залежи…
Минеральный фосфор – редкий элемент в биосфере. В земной коре его содержание не превышает 1%. Основными источниками неорганического фосфора являются… В водоемы фосфор приносится сточными водами в виде фосфатов. Если на суше… Ежегодный вынос фосфора в мировой океан оценивается величиной 1,4∙107 т, обратный перенос фосфора из океана на…
Гомеостаз и сукцессия экологических систем
Таким образом, любой биогеоценоз динамичен, в нем постоянно происходят изменения состояния и жизнедеятельности его членов и соотношения популяций.… Состояние подвижно-стабильного равновесия экосистемы (биогеоценоза) носит… Например, в естественном биогеоценозе гомеостаз поддерживается тем, что такая система открыта, т.е. непрерывно…
Каждый живой организм в результате жизнедеятельности меняет вокруг себя среду, изымая из нее часть веществ и насыщая ее продуктами метаболизма. При… В ходе сукцессии на основе конкурентных взаимодействий видов происходит… Последовательный ряд постепенно и закономерно сменяющих друг друга в сукцессии сообществ называется сукцессионной…
Смены, ведущие к восстановлению прежнего состава ценоза, получили в геоботанике название демутационных. Примером может служить демутация залежей в… 1) преобладание однолетних сорняков на первый-второй год после вспашки;
2) господство «крупного бурьяна», преимущественно разных полыней – на третий-четвертый год;
Климаксовая экосистема
Сукцессия завершается стадией, на которой экосистемы всех видов, размножаясь, сохраняют относительно постоянную численность и дальнейшей смены ее состава не происходит. Такое равновесное состояние называют климаксом, а экосистему – климаксовой. В разных абиотических условиях формируются неодинаковые климаксовые экосистемы. В сухом и жарком климате это пустыня, в жарком и влажном – дождевой тропический лес. Основные биомы Земли – это климаксовые экосистемы соответствующих географических областей.
Важно подчеркнуть, что даже такие системы не абсолютно стабильны: просто все виды в них достигли состояния равновесия друг с другом и со средой.
Однако возможны и внезапные резкие изменения, вызывающие популяционный взрыв некоторых видов в результате гибели большинства других. В таких случаях… Наконец, изменения могут быть столь резкими, что практически ни один исходный… Важно отметить, что если не считать землетрясений, извержений вулканов и других аналогичных катастроф, естественные…
Список литературы
1. Дерябо С.Д., Ясвин В.А. Экологическая педагогика и психология. – Ростов-на-Дону: Феникс, 1996.
2. Мамонтов С.Г., Захаров В.Б., Козлова Т.А. Основы биологии. – М.: Просвещение, 1992.
3. Петрашов В.В. Глаза и мозг эволюции. – М.: Монография, 1992.
4. Реймерс Н.Ф. Надежды на выживание человечества. – М.: Россия молодая, 1993.
5. Рувинский А.О. и др. Общая биология. – М.: Просвещение, 1993.
6. Сорокин Э.И. Цивилизация вместо климата. – М.: Знание, 1993.
7. Стадницкий Г.В., Родионов А.И. Экология. – М.: Высшая школа, 1988.
8. Чернова Н.М., Былова А.М. Экология. – М.: Просвещение, 1988.
СОДЕРЖАНИЕ
1. Предмет и задачи экологии. 3
1.1. Структура экологии. 6
1.2. Задачи экологии. 7
2. Космос и земля. Структура биосферы.. 9
2.1. Взаимодействие Космос – Земля. 10
2.2. Магнитный щит Земли. 11
2.3. Космоприземные пульсации и жизнь. 12
2.4. Геосферы Земли, их строение и функции. 13
2.5. Строение атмосферы.. 13
2.6. Биосфера. 15
2.7. Распределение жизни в биосфере. 17
3. Организм, среда обитания, видообразование. 18
3.1. Вид и видообразование. 18
3.2. Генофонды и их изменения. 21
3.3. Изменение генофонда путем искусственного отбора. 22
3.4. Изменение генофонда путем естественного отбора. 22
3.5. Адаптации к нише и местообитанию.. 23
3.6. Видообразование. 24
4. Основные среды жизни и адаптации к ним организмов. Факторы среды, общие закономерности их действия на живые организмы.. 25
4.1. Изменчивость экологических факторов. 26
4.2. Понятие об экологической нише. 29
5. Динамика популяции. 29
5.1. Биотический потенциал. 29
5.2. Колебания численности популяции и их причины.. 32
5.3. Влияние плотности популяции. 32
5.4. Механизм действия факторов, зависящих от плотности. Обратные связи и гомеостаз в популяциях. 33
6. Понятие экосистемы.. 34
6.1. Экосистемы.. 35
6.2. Экотоны и экотопы.. 36
6.3. Биомы.. 37
6.4. Климат. 37
6.5. Другие абиотические факторы и микроклимат. 39
6.6. Биотические факторы.. 39
6.7. Взаимодействие биотических и абиотических факторов. 39
7. Взаимодействие живых организмов. 40
7.1. Видовое богатство и видовое разнообразие. Факторы, влияющие на видовое разнообразие. Экологическая структура сообществ. 44
7.2. Экологическая структура сообществ. 45
8. Жизнь как термодинамический процесс. Обмен веществ и энергии в клетке 45
8.1. Энергетический обмен (диссимиляция) 46
8.2. Пластический обмен (ассимиляция) 46
8.3. Термодинамика экосистем. 47
8.4. Жизнь как термодинамический процесс. 48
9. Трофические цепи и сети. 50
9.1. Биологическая продуктивность экосистем. 51
9.2. Правило пирамид. 51
10. Циркуляционные процессы в биосфере. 54
10.1. Образование кислорода в атмосфере. 55
10.2. Круговорот углерода. 55
10.3. Круговорот азота. 56
10.4. Круговорот фосфора. 57
10.5. Круговорот воды.. 58
11. Гомеостаз и сукцессия экологических систем. 59
11.1. Динамика экосистем. 59
11.2. Причины возникновения сукцессии. 60
11.3. Первичная сукцессия. 60
11.4. Вторичная сукцессия. 61
11.5. Климаксовая экосистема. 61
11.6. Сукцессия, нарушение или гибель. 62
Список литературы.. 62