рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Экология

Экология - раздел Экология, Экология ...

Экология

Допущено Учебно-методическим объединением по классическому университетскому образованию

ПРЕДИСЛОВИЕ

 

Природа развивается по своим законам как единое целое. Масштабное воздействие человека на природные процессы в условиях ускорения научно-технического прогресса неизбежно приводит к возникновению экологических кризисов, определяемых сравнительно ограниченной способностью биосферы к самовосстановлению. Единственно возможный путь развития человечества связан с выходом на уровень научно обоснованной стратегии отношений «человек - общество - биосфера».

Цель экологического образования и воспитания - формирование у каждого человека на всех этапах его жизни экологических знаний, целостных представлений о биосфере, понимание органической взаимосвязи и единства человека и окружающей среды, роли природы в его жизни, необходимости охраны и рационального использования природных ресурсов.

Гармонизация взаимоотношений человека и природы важна для решения не только собственно экологических, но и других проблем. Экологически обоснованные решения являются в то же время и социально значимыми, поскольку сам человек, являясь частью природы, существовать без нее не может.

Преподавание дисциплины «Экология» в высших учебных заведениях технического профиля - методически сложная задача, поскольку курс должен сформировать четкое и целостное представление о структуре и функционировании экосистем и биосферы в целом у студентов, не имеющих, как правило, достаточных базовых знаний в области естественных наук. Поэтому пособие содержит основные положения экологии в сочетании с наиболее существенными понятиями биологии, биогеохимии, географии, климатологии, океанологии и т. д.

Авторы книги - преподаватели кафедры экологии и промышленной безопасности МГТУ им. Н.Э. Баумана - биологи по специальности, имеют большой опыт экологических исследований. Большой опыт экологических исследований авторов позволил изложить фундаментальные основы экологии на современном уровне. При подготовке пособия особенно полезными были книги американского эколога Ю. Одума* и российского ученого Л.С. Степановских**.

 

Введение, разделы 2, 4-6, 8, 10, 15 и заключение написаны М.Н.Корсаком и С.А. Мошаровым; разделы 1 и 3 - С.А. Мошаровым и А.П. Пестряковым; разделы 7, 13 и 16 - М.Н.Корсаком и М.И. Кроленко; разделы 9 - С.А. Мошаровым и Е.В. Титовым; разделы 11 и 17 - М.Н.Корсаком; разделы 12 и 14 - С.А. Мошаровым.

_______________________

*Одум Ю Экология: В 2 т. / Пер. с англ.: М.: Мир, 1986.

**Степоновских А.С.Общая экология, М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001.

 


ВВЕДЕНИЕ

 

К началу XXI в. биосфера Земли вступила в эпоху глобального экологического кризиса, вызванного интенсификацией индустриального воздействия человечества на окружающую среду, что привело к истощению природных ресурсов и к загрязнению биосферы техногенными отходами производства. В настоящее время ни у кого не вызывает сомнений необходимость самого широкого экологического образования населения, в первую очередь будущих молодых специалистов, призванных не только эксплуатировать природные ресурсы биосферы, но и сохранять окружающую среду в состоянии, обеспечивающем устойчивое развитие человеческого общества. Формирование экологического мировоззрения является необходимым условием преодоления нынешних и будущих кризисных ситуаций в природной среде. Для этого необходимо четко представлять основные закономерности формирования и поддержания природной среды в естественных и антропогенно измененных условиях и допустимые пределы воздействия человеческого общества на среду.

При рассмотрении экологических проблем необходимо разделять три базовых понятия: экология, охрана природы и природопользование. Понятие «экология» охватывает систему научных знаний о природной среде. Охрана природы включает как соответствующую законодательную деятельность, так и организационные и научно-технические мероприятия, обеспечивающие поддержание экологического равновесия и благоприятной среды обитания. Ключевым в понятии «природопользование» является устойчивое воспроизводство природных ресурсов и условий, необходимых для жизнедеятельности человека. Иначе говоря, оно относится к экономическим и технологическим аспектам взаимодействия человека и природы. Очевидно, что эффективность охраны природы и возможность устойчивого природопользования определяются уровнем фундаментальных знаний об экологических процессах, т. е. уровнем развития экологии.

Учебники и учебные пособия по экологии, которых насчитывается в России более двух десятков, можно условно разделить на две группы. Издания, относящиеся к первой из них, ориентированные на студентов биологических и медицинских специальностей, как правило, содержат курс экологии, рассчитанный на узких специалистов, которые в будущем будут профессионально заниматься определенными разделами экологии. Учебники и учебные пособия второй группы рассчитаны на студентов технических специальностей - будущих инженеров, призванных обеспечить технический прогресс и устойчивое функционирование современного индустриального общества. Не вдаваясь в особенности программ по экологии для этих двух категорий студентов, можно утверждать, что курс экологии в технических университетах должен содержать основы фундаментальной экологии - необходимую теоретическую базу для углубленного изучения более узких специальных дисциплин.

Инженерно-технические специалисты в силу специфики своей деятельности призваны создавать новые технологии и различные механизмы, воздействующие на окружающий мир, поэтому базовое экологическое образование для них крайне необходимо и должно быть ориентировано на сохранение окружающей среды обитания на основе понимания основных закономерностей функционирования природных экологических систем. Иными словами, учебное пособие для студентов технических университетов, в первую очередь, должно быть ориентировано на расширение их экологического кругозора и знакомство с основными понятиями и законами экологии, проблемами взаимодействия природы и цивилизации, вопросами негативного воздействия факторов окружающей среды на здоровье населения, принципами оценки состояния, охраны и мониторинга природной среды.

Большинство вышедших в последние годы учебников и учебных пособий по курсу «Экология» посвящено прикладным аспектам экологии с очень кратким изложением основ общей экологии, либо, наоборот, авторы пытаются слишком подробно представить всю совокупность знаний об окружающей среде и природных экосистемах. Не отрицая необходимости преподавания основ рационального природопользования и охраны природы, мы стремились обеспечить баланс между разделами фундаментальной и прикладной экологии.

Лекция 1 посвящена история развития взаимоотношений человеческого общества и природы. Рассмотрены основные черты адаптации хозяйственной деятельности человека к природным условиям на стадии охотничье-собирательской культуры; показаны последствия адаптации природных экосистем к системам хозяйства на стадии земледельческой культуры и рассмотрены современные формы человеческой деятельности, приводящие к преобразованию природных экосистем в глобальных масштабах (индустриальное общество).

Во второй лекции определены общие задачи экологии, рассмотрены основные фундаментальные и прикладные разделы, отражающие широкий спектр научной и хозяйственной деятельности человека, изложены законы Коммонера, которые сжато, формулируют особенности взаимодействия человека и природы.

Лекция 3 содержит основные характеристики среды обитания живых организмов - биосферы, которая охватывает всю гидросферу, нижнюю часть атмосферы и верхний слой литосферы. Кратко излагаются основные положения учения выдающегося русского ученого В.И. Вернадского о биосфере, в том числе о главенствующей роли живых организмов в формировании и поддержании современных физико-химических условий на Земле.

Лекции 4-7 посвящены рассмотрению экологических факторов (условий окружающей среды), определяющих границы существования живых организмов в биосфере. Большое внимание уделено общим и специфическим закономерностям воздействия важнейших абиотических, биотических и антропотехногенных факторов на живые организмы. Рассмотрены пределы положительного действия абиотических факторов на организмы (пределы толерантности); особенности взаимовлияния организмов одного и разных видов (биотические факторы), специфика негативного воздействия различных антропотехногенных (физических, химических и биологических) факторов на здоровье населения.

Совокупность условий существования организмов существенно различается в четырех средах жизни: водной, наземно-воздушной, почвенной и организменной (лекции 8-9). В каждой из этих сред рассмотрены специфические экологические факторы, в наибольшей степени определяющие условия жизни. Показано, что не только среда обитания влияет на условия жизни организмов, но и сами организмы формируют среду, активно участвуя во многих геохимических круговоротах химических элементов в биосфере.

В 10 лекции рассмотрены биогеохимические циклы основных биогенных (жизненно важных) элементов (углерода, азота, фосфора, серы) и участие живых организмов в круговоротах этих веществ. На большом фактическом материале показаны возможные экологические последствия нарушения сбалансированности круговорота веществ.

Основные количественные характеристики популяции (величина и плотность популяции, рождаемость, смертность, кривые выживания) рассмотрены в теме 11; проанализированы различные экологические стратегии развития популяций в эволюции биоценозов и экосистем.

Лекции 12-13 посвящены основам структурно-функционального единства природных экосистем, биоценоза и биотопа. Показано значение главных биоценотических компонентов экосистемы (автотрофов и гетеротрофов) и их участие в потоках энергии и круговороте веществ в экосистемах. Определены общие закономерности изменения интегральных и структурных компонентов экосистем в процессе эволюционного развития экосистем в ходе автотрофных и гетеротрофных, первичных и вторичных сукцессий.

В темах 14-15 освещены вопросы контроля качества и мониторинга природной среды, обоснована необходимость контроля и нормирования антропогенных воздействий на окружающую среду, введено понятие экологического мониторинга как информационной системы наблюдений, рассмотрены отдельные виды мониторинга (локальный, региональный, глобальный, фоновый).

Лекция 16 содержит анализ глобальных экологических проблем современности: демографический кризис; урбанизация; загрязнение природной среды; эрозия почв и потеря ими плодородия; разрушение озонового слоя; антропогенное изменение климата (парниковый эффект); уменьшение биологического разнообразия; снижение устойчивости природных экосистем.

В лекции 17 рассмотрены основные характеристики городской экосистемы, выделены специфические экологические факторы, воздействующие на состояние этой экосистемы, а также на здоровье человека.

Изучение этого пособия позволит будущим специалистам инженерно-технического профиля создавать новые технологии и различного рода механизмы с учетом требований экологической безопасности, минимизируя негативное влияние промышленной деятельности на биосферу.


ВЗАИМООТНОШЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА И ПРИРОДЫ

  Для того чтобы лучше понять современные проблемы взаимоотношений людей и… Каждая общественная система в историческом аспекте строится на каком-либо основании, которое считается главным.…

Устойчивое развитие - это такое развитие, которое позволяет удовлетворять потребности живущих поколений, но не ставит под угрозу возможность будущих поколений удовлетворять их.

В основе концепции устойчивого развития лежит положение о том, что только в мире со здоровой социально-экономической средой может быть здоровая окружающая среда. В основном документе Конференции («Повестка дня на XXI век») рассматривается широкий круг вопросов, которые должны обеспечить такое развитие человеческого общества на перспективу. Это и экологические вопросы (предотвращение изменения климата, обеспечение пресной водой, борьба с опустыниванием, сохранение лесов, сохранение биологического разнообразия, экологическое образование и т. л) и вопросы от которых прямо или косвенно зависит решение экологических проблем (разработка и внедрение соответствующих промышленных и сельскохозяйственных технологий, борьба с бедностью, изменение структуры потребления и т. д.).

Контрольные вопросы и задания

1. Какие этапы выделяются в истории взаимоотношений человека и природы?

2. Что такое «экологический кризис»?

3. Охарактеризуйте основные экологические последствия деятельности земледельцев и скотоводов эпохи неолита.

4. Почему развитие аграрной цивилизации привело к первому в истории антропогенному экологическому кризису? В чем он выразился?

5. На каком этапе развития общества антропогенное влияние на круговорот веществ становится необратимым?

6. Какой фактор обострения экологической ситуации становится главным в индустриальном обществе?

7. Дайте определение техносферы.

8. В чем суть стратегии устойчивого развития?


ЭКОЛОГИЯ КАК НАУКА

 

Слово «экология» происходит от греч. oikos - дом, убежище, местообитание и греч. logos - наука.

Экология - наука, изучающая условия существования живых организмов и взаимосвязи между организмами и средой, в которой они обитают.

К 30-м годам XX в. изучение живых систем, сообществ организмов, отдельных организмов и их частей позволило ученым сформулировать ключевые принципы… Для системного подхода чрезвычайно важны не только сами объекты исследований,… Предметом экологии является структура связей между элементами экосистем - живыми организмами разного уровня…

Контрольные вопросы и задания

 

1. Что изучает наука экология и как она связана с охраной природы?

2. Основные задачи экологии.

3. В чем познавательное и прикладное значение экологии?

4. Охарактеризуйте «законы Коммонера» и сформулируйте их основное содержание.

 


СТРУКТУРА БИОСФЕРЫ

Каждая наука имеет свою область изучения. Для экологии это биосфера - сфера жизни, т. е. часть планеты, которая включает совокупность живых существ… Понятие биосферы было введено австрийским ученым Э. Зюссом в 1875 г. Стройное… косное вещество - геологические образования, не созданные живыми организмами;

Контрольные вопросы и задания

1. Что входит в понятие биосферы согласно учению В.И. Вернадского?

2. Назовите основные части биосферы. Каковы их основные параметры?

3. Охарактеризуйте закон биогенной миграции атомов.

4. Определите роль живых организмов в регуляции современной геохимической среды в биосфере Земли.

 


ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ СРЕДЫ

 

Условия окружающей среды определяют границы существования живыхорганизмов в биосфере. Любой организм в среде своего обитания подвергается воздействию самых разнообразных факторов: химических, физических, биотических и пр.

Под экологическим фактором понимают любой элемент иди свойство среды, способное оказывать прямое или косвенное влияние на живые организмы.

Для разных видов растений и животных условия, в которых онимогут существовать, неодинаковы. Например, некоторые предпочитают очень влажную почву,… Классификация экологических факторов: абиотические (факторы неживой природы, или физико-химические факторы) - комплекс условий неорганической среды,…

Контрольные вопросы и задания

1 Дайте определение экологического фактора.

2 Назовите основные типы экологических факторов.

3 Каковы общие закономерности действия любых факторов?

4 Чем определяется экологическая пластичность видов?

5 В каком случае факторы среды становятся лимитирующими? Что они лимитируют?

6 Могут ли разные факторы изменять действие друг друга?

7 Что представляет собой экологическая ниша?

 


АБИОТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ СРЕДЫ

Основными (экологически важными) факторами среды для наземных экосистем являются свет, температура и влажность (осадки). В водной среде - это свет,… Свет. Это - один из важнейших абиотических факторов, так как служит… Почти вся энергия, получаемая поверхностью Земли, исходит от Солнца. Солнце излучает в космическое пространство…

Рассеяние энергии солнечного излучения в биосфере

Наиболее важный экологический процесс, зависящий от света – фотосинтез. В клетках растений и хлорофиллсодержащих бактерий протекают сложные процессы… Процесс фотосинтеза обычно описывают следующим балансовым уравнением:

Контрольные вопросы и задания

1. Почему свет, температура и влажность считаются основными абиотическими факторами среды для живых организмов?

2. Какие факторы среды часто являются лимитирующими в наземных экосистемах, а какие - в водной среде?

3. Укажите различия микро- и макроэлементов.

 


БИОТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ. ФОРМЫ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОТНОШЕНИЙ В СООБЩЕСТВАХ

Все виды живых организмов, обитающих в природе, не могут существовать сами по себе без живого окружения - биотической среды, с которой они вступают… В отличие от абиотических факторов, охватывающих всевозможные взаимоотношения… Среди биотических обычно выделяют группы факторов, обусловленных влиянием:

Контрольные вопросы и задания

 

1. Дайте определения биотической среды и биотических факторов.

2. В чем общность и различие гомотипических и гетеротипиче-ских факторов?

3. Назовите основные типы биотических взаимодействий (факторов).

4. Какое значение имеют биотические факторы для существования экосистемы?

5. В чем основное отличие фитогенных и зоогенных факторов?

 


АНТРОПОТЕХНОГЕННЫЕ ФАКТОРЫ

Антропогенные факторы - это прямыеили косвенные воздействия человеческой деятельности на природную среду, вызывающие изменения природных экосистем и… Выделяют антропогенные факторы прямого действия, связанные с непосредственным… На протяжении веков, в процессе своей деятельности человек существенно преобразовал естественные природные комплексы…

Шкала электромагнитных волн

Световые факторы. Определенная часть электромагнитного спектра, относящаяся к… Наибольшее негативное воздействие на здоровье населения и природные экосистемы оказывает ультрафиолетовая часть…

Контрольные вопросы и задания

1. Назовите существующие виды антропогенного воздействия.

2. В чем специфика воздействия антропогенных факторов на разных структурных уровнях организации жизни?

3. Назовите приоритетные химические антропогенные факторы.

4. Какие процессы происходят в экосистеме при воздействии на нее внешних неблагоприятных антропогенных факторов?

5. Что такое болезнь с экологической точки зрения?

6. Перечислите антропогенные факторы, влияющие на здоровье людей.

7. В чем опасность воздействия на здоровье человека патогенных прионов и генетически модифицированных организмов?

 


8. ГИДРОСФЕРА КАК СРЕДА ЖИЗНИ

 

Живые организмы в ходе длительного исторического развития освоили четыре среды жизни, которые объединяют все разнообразие существующих на Земле условий: водную, наземно-воздушную, почвенную, организменную.

Под средой обитания понимают часть природной среды, которая окружает организмы и оказывает прямое или косвенное воздействие на их состояние, развитие, выживание и размножение.

Из среды особи получают необходимое для своего существования и в нее же выделяют продукты своего метаболизма.

Каждой из упомянутых сред жизни n присущ определенный, отличный or других сред комплекс условий (экологических факторов). Одни факторы, всегда для данной среды жизни присутствующие в избытке, являются средобразующими и обусловливают свойство сред. Другие факторы могут периодически принимать минимальные значения и ограничивать возможность существования организмов на какой-либо территории.

В водной среде (гидросфере) возникла и распространилась жизнь. В дальнейшем в ходе исторического развития организмы начали заселять и наземно-воздушную среду. Появились наземные растения и животные, которые в процессе эволюции приспособились к новым условиям жизни.

Гидросфера - это прерывистая водная оболочка Земли, представляющая собой совокупность морей и океанов, пресных континентальных вод (поверхностных и подземных) и ледяных покровов. Моря и океаны занимают около 71 % земной поверхности, в них сосредоточено около 97 % всего объема воды на Земле. На пресные воды приходится всего 3 %. Большая часть пресных вод (85 %) сосредоточена во льдах полярных зон и ледников. Таким образом, в пресных водах рек и озер количество воды не превышает 0,019 % общего объема воды.

Важнейшее свойство гидросферы - единство всех родных вод (Мирового океана, вод суши, водяного пара в атмосфере, подземных вод), которое обеспечивается в процессе круговорота воды в природе. Движущими силами этого глобального процесса служат тепловая энергия Солнца, поступающая но поверхность Земли, и сила тяжести. Они обеспечивают перемещение и возобновление природных вод всех видов. Испарение с поверхности Мирового океана и с поверхности суши является начальным звеном круговорота воды в природе.

Вода - один из важнейших экзогенных факторов, видом изменяющих земную поверхность. Теплоемкость воды более чем в 3 тыс. раз больше теплоемкости воздуха. Поглощая огромное количество тепловой энергии и, медленно отдавая ее, вода служит регулятором климатических процессов глобального масштаба.

Не только водная среда оказывает сильное влияние на ее обитателей, но и живое вещество гидросферы, воздействуя на среду обитания, перерабатывает ее и вовлекает в круговорот веществ. Установлено, что вода океанов, морей, рек и озер разлагается и восстанавливается в биотическом круговороте за 2 млн. лет, т.е. вся вода биосферы прошла через живое вещество на Земле за время ее существования и не одну тысячу раз.

Следовательно, современная гидросфера представляет собой продукт жизнедеятельности живого вещества не только современной, но прошлых геологических эпох.

Характерная черта водной среды - ее подвижность, особенно в проточных, быстро текущих ручьях и реках. В морях и океанах наблюдаются мощные течения, приливы и отливы, штормы. В озерах вода перемещается под действием температуры и ветра.

В жизни водных организмов большую роль играют вертикальное перемещение воды, плотность, температурный, световой, солевой, газовый (содержание кислорода и углекислого газа) режимы, концентрация водородных ионов (рН).

В водной среде обитает примерно 150 000 видов животных или около 7% от общего их количества, и 10 000 видов растений (8%).

Мировой океан. С экологической точки зрения наиболее интересны следующие характеристики Мирового океана.

1. В океане не существует безжизненных зон, однако вблизи материков и островов воды заселены значительно гуще.

2. Все океаны соединены друг с другом и не подразделяются на изолированные области, подобно суше и пресным водам. Основными барьерами для свободного передвижения морских организмов. служат температура, соленость и глубина.

3. В море происходит постоянная циркуляция водных масс. Постоянные течения в Мировом океане (см. рис. 3.1) возникают в результате действия сильных ветров, дующих на протяжении всего года в одном направлении, и влияния вращения Земли. Наиболее значимыми для формирования структуры Мирового океана являются экваториальные течения восточного и западного направлений и прибрежные течения. Хорошо известны Гольфстрим и Североатлантическое течение, которые несут теплую воду и смягчают климат в северной части Европейского континента (см. рис. 3.1). Помимо поверхностных ветровых течений имеются глубинные (направленные от поверхности водной толщи в глубоководные слои), обусловленные различиями в плотности воды. Перемешивание воды в море настолько эффективно, что дефицит кислорода сравнительно редок в океанских глубинах (он часто наблюдается в пресных водоемах).

4. На море постоянно господствуют разного рода волны, происходят приливы и отливы, вызванные притяжением Луны и Солнца. Роль приливов особенно велика в прибрежной зоне, где они обусловливают заметную периодичность в жизни сообществ. Подъем и опускание уровня моря каждые 12 часов существенно меняют среду обитания на литорали (в приливно-отливной прибрежной зоне).

5. Одна из характеристик морской среды - ее соленость. Средняя соленость, или содержание солей, в океанской воде составляет 35 г на 1 л воды. В морях соленость может быть выше или ниже, чем в океане (например, в Красном море - до 40 г/л воды, а в Балтийском море - от 3 до 10 г/л воды).

Смена условий существования организмов от поверхности в глубину водной толщи и от прибрежных зон к открытым частям водоема определяет существование определенных зон жизни, населенных различными организмами и их сообществами, что позволяет говорить об экологической зональности водоемов. В основе экологической зональности лежат изменения различных факторов внешней среды: температуры, освещенности, гидростатического давления, газового режима, рельефа дна, трофических условий и пр.

В океане, с входящими в него морями, различают две экологические области: толщу воды - пелагиаль и дно - бенталь (рис. 8.1) В зависимости от глубины бенталь делится на следующие зоны:

• сублиторальную зону (континентальный шельф) - область плавного понижения суши до глубины 200 м;

• батиальную (континентальный склон) - область крутого склона;

• абиссальную зону - океаническое ложе со средней глубиной 3...6 км.

 
 

Более глубокие области бентали (с глубиной 6 10 км) называют ультраабиссалью. Кромка берега, заливаемая водой во время приливов, называется литоралью. Часть берега выше уровня приливов, увлажняемая брызгами прибоя, получила название супралиторали.

 

Рис. 8.1. Вертикальная экологическая зональность океана

 

В пелагиали вертикальная экологическая зональность выражена менее четко вследствие перемешивания вод и существования вертикальных миграций пелагических организмов. Обычно в пелагиали выделяют следующие зоны: эпипелагиаль (0....200 м), мезопелагиаль (200... 1000 м) и глубоководную зону (более 1000 м). По количеству света, проникающего в толщу воды подразделяют на две горизонтальные зоны: верхнюю или эвфотическую, зону - зону первичного продуцирования в ходе фотосинтеза и нижнюю зону, простирающуюся до больших глубин - афотическую зону, где света для фотосинтеза недостаточно.

В прозрачных водах Мирового океана. (Саргассово море, тропическая зона океанов) эвфотическая зона достигает глубин 150....200 м. В более мутных и богатых жизнью прибрежных водах глубина эффективного проникновения света редко превышает 30 м.

Рассмотрим основные экологические группы гидробиотонов.

Толща воды заселена пелагическими организмами, обладающими способностью плавать или удерживаться в определенных слоях. Эти организмы подразделяют па две группы: нектон и планктон. Третью экологическую группу – бентос - образуют обитатели дна.

Нектон (от греч. nektos - плавающий) - это совокупность пелагических, активно передвигающихся животных, не имеющих непосредственной связи с дном. Нектон представлен животными с обтекаемой формой тела, с хорошо развитыми органами движения. К типичным организмам нектона относятся рыбы, кальмары, киты, ластоногие. В пресных водах к нектону помимо рыб относятся земноводные и активно перемещающиеся водные насекомые.

Планктон (от греч. planktos - блуждающий, парящий) - это совокупность пелагических организмов, не обладающих способностью к быстрым активным передвижениям. Как правило, это мелкие животные - зоопланктон и микроскопические одноклеточные водоросли - фитопланктон, которые не могут противостоять течениям. В состав планктона включают и парящие в толще воды личинки многих животных. Планктонные организмы обитают во всей толще воды (от поверхностных до придонных слоев).

Бентос (от греч. benthos - глубина) - это совокупность организмов, обитающих на дне (на грунте и в грунте) водоемов. Он подразделяется на зообентос и фитобентос, в основном представлен прикрепленными или медленно передвигающимися или роющими в грунте животными. На глубинах, где нет света фитобентос отсутствует. В морском зообентосе (т. е среди донных животных) доминируют губки, кишечно-полостные черви рыбы и др. Более многочисленны бентосные формы на мелководьях. Общая биомасса бентоса в продуктивных районах океана (коралловые рифы) может достигать десятков килограммов на 1 м2. Фитобентос морей в основном включает крупные прикрепленные водоросли (например, ламинарии, фукусы) и бактерии. У побережий встречаются цветковые растения. Наиболее богаты фитобентосом скалистые и каменистые участки дна.

Океанические области, удаленные от берегов, выглядят «пустыней» по сравнению с прибрежными водами и лиманами. Это связано с невысокой скоростью фотосинтеза (источник пищи для всех гидробионтов) из-за низкой концентрации биогенных элементов (нитраты и фосфаты) в эвфотической зоне не океанических областей. Арктические и антарктические моря значительно продуктивнее морей средних широт, о чем свидетельствует большое количество рыбы и китов, обитающих в полярных областях.

Жизнь в море сконцентрирована в основном около берега (в области континентального шельфа), где существуют благоприятные условия питания. Ни в каком другом месте, даже в дождевом тропическом лесу, нет такого разнообразия жизни. Значительная часть морского прибрежного зоопланктона составляет сезонный, или временный планктон, представленный личинками донных организмов (крабов, морских червей, моллюсков и др.) Эти организмы на первых этапах своего жизненного цикла обитают в толще воды, а во взрослом состоянии опускаются на дно и становятся частью бентоса. Все крупное промысловое рыболовство мира почти полностью сосредоточено на континентальном шельфе или вблизи него.

Большую роль в жизни океана играет процесс, названный апвеллингом. Это подъем глубинных вод, богатых элементами минерального питания, на поверхность. Подъем вод происходит там, где ветры постоянно отгоняют поверхностную воду от крутого материкового склона. В этих местах на поверхность поднимается холодная глубинная вода, богатая минеральными соединениями азота и фосфора. Наиболее продуктивные области океана расположены вдоль западных берегов материков (например, Перуанско-Чилийский район), о чем свидетельствует развитый здесь рыболовный промысел.

Поверхностные пресные воды. По сравнению с морями и океанами удельный вес рек, озер и болот, как уже отмечалось, незначителен. Однако они содержат необходимый для растений, животных и человека запас пресной воды.

Пресноводные местообитания подразделяют на три группы:

•стоячие воды (озера, пруды);

• текучие воды (реки, ручьи, родники);

• заболоченные участки суши.

Грунтовые воды, хотя они и образуют очень большой пресноводный резервуар и служат важным для людей ресурсом питьевой воды, в общем, не считаются экосистемой, так как обычно они безжизненны или населены очень слабо (иногда бактериями).

Характерная черта озер и крупных прудов - четкая зональность дна и стратификация (деление водной толщи на слои с разными физико-химическими свойствами: содержание кислорода, температура и пр.). В озерах, как и морях различают планктон, нектон и бентос. В типичном случае (рис. 8.2.) на дне мы можем различить литоральную зону, где встречаются прибрежные укореняющиеся растения, и глубоководную профундальную зону, где живут только гетеротрофы (животные и бактерии).

Рис. 8.2. Основные экологические зоны озера

 

В водной массе (пелагиали) как среде обитания организмов (летом и зимой) по вертикали может быть выделено три слоя: эпи-, мета- и гиполимнион (рис. 8.2). Воды поверхностного слоя - эпилимниона (до глубин 5...8 м) летом хорошо прогреваются (до 20 °С) и интенсивно перемешиваются под воздействием ветра. В связи с хорошей освещенностью и присутствием в воде минеральных солей в этом слое в массовом количестве развиваются одноклеточные водоросли (основные продуценты органического вещества в пелагиали). Металимнион характеризуется резким перепадом температур с увеличением глубины, так как представляет собой переходную область между различно нагретыми водами эпи- и гиполимниона. В гиполимнионе (обычно глубже 14...20 м) воды беднее кислородом, температура летом не превышает 5...10 °С. Растительные организмы в этой зоне отсутствуют и фотосинтез не происходит.

Температурный режим в воде характеризуется, во-первых, меньшим притоком тепла, во-вторых, большей стабильностью, чем в наземно-воздушной среде. Часть тепловой энергии, поступающей на поверхность воды, отражается, часть расходуется на испарение воды. Испарение воды с поверхности водоемов препятствует перегреванию нижних слоев, а образование льда замедляет их охлаждение. Изменение температуры в текущих водах cлeдует за ее изменениями в окружающем воздухе, отличаясь меньшей амплитудой.

В озерах и прудах умеренных широт температурный режим определяется хорошо известным физическим явлением, вода обладает максимальной плотностью при температуре 4 °С. Летом более теплые верхние слои в озере временно изолируются от охлажденных глубинных вод зоной термоклина (металимнион), которая служит преградой для обмена различными веществами. Данный вид послойного распределения температур в водоеме носит название прямой стратификации (рис. 8.3, а). Вследствие этого запасы кислорода в гиполимнионе и биогенных элементов в эпилимнионе в этот период года истощаются.

Рис. 8.3. Стратификация и перемешивание воды в озере

 

Зимой, с понижением температуры, происходит обратная стратификация (рис. 8.3, в). Поверхностный слой воды имеет температуру, близкую к 0 °С. На дне температура около 4 С, что соответствует ее максимальной плотности. Таким образом, с увеличением глубины температура повышается. В результате нарушается вертикальная циркуляция воды, образуется плотная стратификация воды, наступает период временного застоя - стагнация.

Весной и осенью (т. е. два раза в год) когда температурa всей водной массы выравнивается, происходит перемешивание воды (рис. 8.3, б). При этом биогенные элементы попадают в верхние слои из гиполимниона. Это создает оптимальные условия для интенсивного развития фитопланктона и образования большого количества органического вещества, являющегося пищей для других гидробионтов (животных, бактерий). В странах с теплым климатом перемешивание воды происходит только один раз в год (зимой) в тропиках процесс перемешивания происходит постепенно или нерегулярно.

Основные особенности текучих вод (рек) как среды обитания организмов определяются наличием течений, являющихся важным контролирующим и лимитирующим фактором, а также более высокой концентрацией кислорода по сравнению со стоячими водоемами.

По химическому составу реки мира подразделяют на два типа: 1) жестководные, или карбонатные, реки, содержащие более 100 г неорганических веществ в 1 л воды; 2) мягководные, или хлоридные, реки, где растворенных веществ менее 25 г/л.

Заболоченными участками, в том числе болотами, называются территории, где почвы насыщены водой постоянно или на протяжении части года.

Периодичность колебаний уровня воды в этих районах - ключевой фактор, определяющий продуктивность и видовой состав сообществ в этих местообитаниях. Болота представляют собой открытые системы, так как они сильно зависят от поступления в них веществ и энергии извне. Хотя болота занимают около 2 % поверхности Земли, по существующим оценкам здесь содержится от 10 до 14 % углерода (например, в торфяниках).

Основные экологические факторы, определяющие существование организмов в гидросфере, связаны с физико-химическими свойствами водной среды обитания. Высокая плотность воды (по сравнению с воздухом) отражается на строении тела гидробионитов. Плотность воды обеспечивает возможность животным организмам опираться на нее, что особенно важно для бесскелеточных форм. У многих планктонных организмов выработались приспособления, облегчающие парение в воде: уменьшение удельной плотности тела (газовые и жировые включения, студенистые ткани, полый скелет), увеличение его удельной поверхности (различные выросты, уплощения тела).

Организмы в водной среде распределены по всей ее толще. Например, в океанических впадинах животные обнаружены на глубинах свыше 10 000м с давлением до 108 Па (несколько сотен атмосфер). Даже пресноводные обители водоемов (жуки-плавунцы, простейшие - инфузории-туфельки и др.) в опытах выдерживают повышение давления до 6•107 Па (600 атм.).

Вместе с тем следует отметить, что многие обитатели морей и океанов относительно стенобатны, т. е. обитают на определенных глубинах. В первую очередь это относится к мелководным и глубоководным видам.

На водные организмы большое влияние оказывают световой режим и прозрачность воды. Интенсивность света в воде сильно ослаблена (рис. 8.4), так как одна часть падающей радиации отражается от поверхности воды, другая поглощается ее толщей. Поглощение света связано с прозрачностью воды. В океанах, где вода обладает большой прозрачностью, на глубину 140 м еще проникает около 1 % падающей на поверхность солнечной радиации, а в небольших озерах даже на глубину 2 м попадают иногда всего лишь десятые доли процента.

Рис. 8.4. Освещенность в воде в течение дня:

1 - на поверхности; 2 - на глубине 0,5 м; 3 - на глубине 1,5 м; 4 - на глубине 2м.

 

Поглощение света в воде тем сильнее, чeм меньше ее прозрачность, которая обусловлена наличием взвешенных минеральных и органических частиц. Соответственно и границы зон фотосинтеза сильно колеблются в разных водоемах.

В связи с тем, что лучи разных участков солнечного спектра неодинаково поглощаются водой, с глубиной изменяется и спектральный состав света, причем в первую очередь ослабляются красные лучи, необходимые для фотосинтеза (рис. 8.5). Сине-зеленые лучи проникают на значительные глубины. Живые организмы по-разному адаптированы к условиям освещенности и спектральному составу на разных глубинах водной толщи. В соответствии с изменением световых условий с увеличением глубины меняется состав биологических сообществ.

Рис. 8.5. Ослабление в воде с увеличением глубины цветных компонентов белого света (лучей):

к - красных; о - оранжевых; ж - желтых; з - зеленых; г - голубых; с - синих;

ф – фиолетовых

 

Так, растения, живущие на поверхности воды, не испытывают недостатка света, а погруженные и глубоководные фотосинтезирующие организмы существуют в сумеречных условиях. Они адаптируются не только к недостатку света, но и к изменению его спектрального состава благодаря выработке дополнительных пигментов. Это проявляется в изменении окраски водорослей, обитающих на разных глубинах. В мелководных зонах, где растениям еще доступны красные лучи, которые в наибольшей степени поглощаются хлорофиллом (пигмент зеленого цвета), как правило, преобладают зеленые водоросли. В более глубоких зонах встречаются бурые водоросли, имеющие кроме хлорофилла бурые пигменты фикофеин, фукоксантин и др. Еще глубже обитают красные водоросли, содержащие пигмент фикоэритрин. Названные дополнительные пигменты улавливают энергию лучей, проникающих на глубину и передают ее основному фотосинтезирующему пигменту – хлорофиллу. Это явление получило название хроматической адаптации.

Световой день, особенно в глубоких слоях воды, значительно короче, чем на суше. Количество света в верхних слоях водоемов меняется в зависимости от географической широты местности и от времени года. Так, из-за длинных полярных ночей значительно ограничивается время пригодное для фотосинтеза в арктических и антарктических бассейнах, а ледовый покров затрудняет доступ света зимой во все замерзающие водоемы.

В жизни водных организмов важную роль играет соленость воды, или солевой режим. Химический состав воды формируется под влиянием естественно - исторических и геологических условий. Содержание химических соединений (солей) в воде определяет ее соленость и выражается в граммах на литр или в промилле (%). По общей минерализации воды можно разделить на пресные с содержанием солей до 1 г/л, солоноватые (1...25 г/л), морской солености (26...50 г/л) и рассолы (более 50 г/л). Наиболее важными из растворенных в воде веществ являются карбонаты, сульфаты и хлориды.

Важный элемент в пресных водах - кальций, который может выступать в роли лимитирующего фактора. Различают воды мягкие, бедные кальцием (менее 9 мг/л), и воды жесткие, содержащие этот элемент в большом количестве (более 25 мг/л).

В морской воде среднее содержание растворенных солей составляет 35 г/л (35 %), в окраинных морях значительно ниже (например, в Балтийском море - 3...10 %).

У большинства водных обитателей осмотическое давление в теле зависит от солености окружающей среды. Пресноводные животные и растения обитают в среде, где концентрация растворенных веществ ниже, чем в жидкостях тела и тканей. Из-за разницы в осмотическом давлении вне и внутри тела в организм постоянно проникает вода, вследствие чего гидробионты пресных вод вынужден интенсивно удалять ее. Поэтому у них хорошо выражены процессы осморегуляции. Некоторые инфузории каждые 2....2,5 мин выделяют количество воды, равное объему тела.

Концентрация солей в жидкостях тела и тканей многих морских организмов равна концентрации солей, растворенных в окружающей воде. В связи с этим осморегуляторные функции у них развиты слабее, чем у пресноводных. Осморегуляция - одна из причин того, что многие морские растения и животные не сумели заселить пресные водоемы и оказались типичными морскими жителями, как, например, кишечно-полостные (медузы, актинии, кораллы), иглокожие (морские звезды, ежи) гудки и др. С другой стороны, в морях и океанах почти не обитают насекомые, тогда как пресноводные бассейны обильно ими заселены. Типично морские и типично пресноводные организмы не переносят значительных изменений солености и являются стеногалинными, т.е. приспособленными к узким пределам солености воды.

Эвригалинных организмов (способных обитать в водоемах с разным уровнем солености), в частности животных пресноводного и морского происхождения, не так много. Они встречаются, нередко в больших количествах, в солоноватых водах. К ним относятся, например, лещи, пресноводные судаки, щуки, из морских рыб - семейство кефалевых.

Газовый режим водной среды определяется содержанием кислорода и углекислого газа. Кислород для водной среды - важнейший экологический фактор. Он поступает в воду из воздуха и выделяется растениями при фотосинтезе. С повышением температуры и солености воды концентрация кислорода понижается. В слоях, сильно заселенных животными и бактериями, может создаваться дефицит кислорода из-за усиленного его потребления. Поэтому около дна водоемов условия могут быть близкими к анаэробным (бескислородным).

В условиях низкой скорости обмена глубинных и поверхностных вод небольшие водоемы также значительно обедняются кислородом. Дефицит его может возникнуть и зимой подо льдом. Содержание кислорода в воде оказывается лимитирующим фактором.

Среди водных обитателей существует большое количество видов, способных переносить широкие колебания содержания кислорода в воде, вплоть до почти полного его исчезновения. Это эвриоксибиониты, к которым относятся пресноводные черви олигохеты, брюхоногие моллюски, рыбы (сазан, линь, карась). В некоторых морях существуют бескислородные зоны. Например, в Черном море на глубине 300 м и до самого дна находится бескислородная сероводородная зона, основными обитателями которой являются сероводородные бактерии.

В водной среде помимо недостатка света и кислорода растительные организмы могут испытывать и недостаток доступного углекислого газа (СО2), необходимого для процесса фотосинтеза. Углекислый газ поступает в воду в результате растворения атмосферного СО2, дыхания водных организмов, разложения органических остатков и высвобождения из карбонатов. Углекислый газ растворяется в воде в 35 раз лучше кислорода. Морская вода - главный резервуар углекислого газа на Земле. Его содержание в морской воде в 150 раз, выше, чем в атмосфере.

При интенсивном фотосинтезе растений усиленное потребление углекислого газа приводит его дефициту в водной толще, что вызывает снижение скорости фотосинтеза.

Особенности адаптации организмов к водной среде. Вода - стабильная среда, в которой многие абиотические факторы (температура, соленость и др.) варьируют незначительно, поэтому водные организмы обычно обладают меньшей экологической пластичностью, чем наземные. Пресноводные растения и животные более пластичны, чем морские, поскольку пресная вода как среда жизни более изменчива. Например, установлено, что прибрежные растения и животные в отличие от обитателей открытых зон являются главным образом эвритермными и эвригалинными организмами вследствие того, что температурные условия и солевой режим вблизи берега довольно изменчивы. Обитатели поверхностных слоев воды по сравнению с глубоководными формами по указанным причинам также оказываются эвритермными и эвригалинными.

Экологическая пластичность - важный регулятор расселения организмов, зависящий от возраста и фазы развития организма. Например, во взрослом состоянии морской брюхоногий моллюск Littorina при ежедневных отливах длительное время обходится без воды, и в то же время его личинки ведут планктонный образ жизни и не переносят высыхания.

Водные растения значительно отличаются от наземных растительных организмов. Так, способность водных растении поглощать влагу и минеральные соли непосредственно из окружающей среды отражается на их морфологической и физиологической организации (отсутствие корней, поглощение воды всей поверхностью).

Важная особенность адаптации растений к обитанию в водной среде заключается и в том, что листья, погруженные в воду, как правило, очень тонкие. Часто хлорофилл в них рacполагается в клетках эпидермиса, что способствует усилению интенсивности фотосинтеза при слабом освещении.

Животные, обитающие в водной среде, по сравнению с растениями характеризуются более разнообразными адаптивными особенностями: анатомо-морфологическими, поведенческими, физиологическими и др. Обитатели толщи воды обладают приспособлениями, которые увеличивают их плавучесть и позволяют противостоять движению воды, течениям. Донные же организмы вырабатывают приспособления, которые препятствуют поднятию их в толщу воды или уменьшают плавучесть, что позволяет удержаться на дне в быстро текущих водах.

Только в водной среде встречаются неподвижные, ведущие прикрепленный образ жизни животные: гидроиды, коралловые полипы, морские лилии, двустворчатые моллюски и др. Для них характерны своеобразная форма тела, незначительная плавучесть и специальные приспособления для прикрепления к твердому основанию – ко дну, телу других организмов. Эти животные захватывают взвешенные в воде частицы, которые переносятся течениями.

Целый ряд гидробионтов обладает особым характером питания - это отцеживание или осаждение взвешенных в воде частиц органического происхождения, многочисленных мелких организмов. Такой способ питания (фильтрация) не требует больших затрат энергии на поиски добычи и характерен для двустворчатых моллюсков, планктонных рачков и др. Животные - фильтраторы играют важную роль в биологической очистке водоемов.

Смена условий в водной среде вызывает и определенные поведенческие реакции организмов. С изменением освещенности, температуры, солености, газового режима и других факторов связаны вертикальные (опускание вглубь, поднятие к поверхности) и горизонтальные (нерестовые, зимовальные и нагульные) миграции животных. В морях и океанах в вертикальных миграциях принимают участие миллионы тонн гидробионтов, а при горизонтальных миграциях водные животные могут преодолевать сотни и тысячи километров.

На Земле существует много временных, неглубоких водоемов, возникающих после разлива рек, сильных дождей, таяния снега и т. д. Общей для обитателей таких водоемов является способность давать за короткие сроки многочисленное потомство и переносить длительные периоды без воды, переходя в состояние пониженной жизнедеятельности - гипобиоза.

 

Контрольные вопросы и задания

 

1. В чем особенность гидросферы как среды жизни?

2. Назовите экологические факторы, наиболее важные для организмов, обитающих в гидросфере.

3.Объясните, с чем связана экологическая зональность водоемов.

4. В чем проявляется адаптация организмов к водной среде?

 


НАЗЕМНО-ВОЗДУШНАЯ, ПОЧВЕННАЯ

И ОРГАНИЗМЕННАЯ СРЕДЫ ЖИЗНИ

Наземно-воздушная среда жизни - самая сложная по разнообразию экологических условий и их распределению в пространстве. Для наземно-воздушной среды, характерны: большие колебания температуры (годовые амплитуды до 100 °С), высокая подвижность атмосферы, разнообразные режимы влажности. Лимитирующими факторами в этой среде чаще всего являются недостаток или избыток тепла и влаги (табл. 9.1). В отдельных случаях, например под пологом леса, существование жизни ограничивается недостатком света.

Таблица 9.1

Сравнение основных экологических факторов, играющих лимитирующую роль в наземно-воздушной и водной средах

  Большие колебания температуры во времени и пространстве, а также хорошая… Жизнь в наземной среде возможна лишь при высоком уровне организации растений и животных, адаптированных к…

Контрольные вопросы и задания

1.В чем особенность наземно-воздушной среды как экологического пространства?

2. Какими приспособлениями для жизни на суше обладают организмы?

3. Назовите экологические факторы, наиболее значимые для

наземных организмов.

4. Охарактеризуйте особенности почвенной среды обитания.

 


БиогеОхимические циклы

Живое вещество - наиболее активный компонент, принимающий участие во многих геохимических круговоротах химических элементов в биосфере. В процессе жизнедеятельности организмов различные химические элементы из биосферы избирательно поглощаются, накапливаются, трансформируются и выводятся во внешнюю среду. В результате таких многократно повторяющихся циклов все химические элементы входят то в состав органических веществ (живое вещество), то в состав неорганических веществ (неживое вещество).

Биогеохимические циклы (биогеохимические круговороты) -циклические процессы обмена веществ между различными компонентами биосферы, обусловленные жизнедеятельностью организмов.

Термин "биогеохимия» предложен русским ученым В.И. Вернадским и означает область науки об обмене веществ между живым и неживым веществом биосферы («био» относится к живым организмам, а "гео" - к горным породам, воздуху и воде). Геохимия изучает химический состав Земли и миграцию элементов между различными частями биосферы: литосферой, гидросферой и атмосферой.

Для нормального существования большинства экосистем и организмов, их населяющих, максимальное значение имеют круговороты таких элементов, как водород, углерод, азот, сера и фосфор, входящих в состав любого живого вещества.

В круговоротах любых химических элементов и веществ различают две части или два «фонда»:

1) резервный фонд - большая масса медленно движущихся в биогеохимическом цикле веществ;

2) обменный (подвижный) фонд - меньшая, но более активная масса вещества, для которого характерен быстрый обмен между живыми организмами и их непосредственным окружением.

В целом биогеохимические циклы обычно подразделяют на два основных типа:

1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере (океане); 2)осадочный цикл с резервным фондом и земной коре. Резервные фонды в атмосфере и гидросфере легко доступны, поэтому такие круговороты относительно устойчивы. Осадочные биогеохимические циклы, как правило, менее стабильны.

Удивительное постоянство процентного содержания различных химических элементов в компонентах экосистемы исторически обусловлено существованием непрерывных и сбалансированных круговоротов веществ, что создает возможность для саморегуляции (гомостаза) системы и поддержания ее устойчивости.

Процессы новообразования органического вещества в ходе фотосинтеза и процессы его разрушения (распада) определяют скорость и сбалансированность круговоротов элементов в биосфере и происходят только за счет поступающей извне солнечной энергии. Следовательно, скорость и направление циклического движения элементов в экосистеме определяются потоками энергии, проходящей через биологическое сообщество.

Обобщенная схема биогеохимических циклов в сочетании с упрощенной схемой потока энергии (рис. 10.1) показывает, как однонаправленный поток энергии приводит в движение круговорот вещества. Обращает на себя внимание тот факт, что химические элементы, вовлеченные в процесс круговорота, многократно проходят один и тот же путь, а энергия течет лишь в одну сторону.

На рис. 10.1 резервный фонд обозначен как фонд элементов питания, а обменный фонд представлен темным кольцом, идущим от автотрофов к гетеротрофам и от них снова к автотрофам. Иногда резервный фонд называют недоступным, а активный обменный фонд - доступным. Например, агрономы обычно измеряют плодородие почвы, оценивая концентрацию в почве тех форм элементов питания, которые непосредственно доступны для растений.

Обменный фонд образуется за счет веществ, которые возвращаются в круговорот двумя основными путями - либо в результате прижизненных выделений во внешнюю среду продуктов метаболизма животными и растениями, либо при разрушении (минерализации) мертвого органического вещества (детрита) микроорганизмами.

Влияние человека на биогеохимические круговороты заключается в том, что при антропогенном вмешательстве эти процессы могут перестать быть замкнутыми и в одних местах боиосферы может возникнуть недостаток, а в других - избыток каких-либо веществ. В конечном счете меры по охране природных ресурсов должны быть направлены на предотвращение нарушений цикличности, т.e. сбалансированности круговоротов важнейших элементов в биосфере. Знание особенностей биогехимических циклов - необходимое условие рационального использования природных ресурсов и сохранения природных экосистем.

Рис. 10.1. Схема биогеохимического цикла на фоне упрощенной схемы потока энергии:

РG- валовая первичная продукция; РN- чистая первичная продукция (может быть потреблена гетерофами в самой системе или же экспортирована); Р - вторичная продукция, R1 -дыхание автотрофов (растений); R2 - дыхание гетеротрофов (животных и бактерий)

 

Любую экосистему можно представить в виде ряда блоков, через которые проходят различные вещества. В круговоротах минеральных веществ в экосистеме, как правило, участвуют три активных блока: живые организмы, мертвый органический детрит, доступные неорганические вещества в среде обитания.

Рассмотрим биогеохимический циклы азота, фосфора и серы. Биогеохимический цикл азота (биогенного элемента, входящего в состав белков и нуклеиновых кислот) может служить примером очень сложного хорошо сбалансированного цикла газообразного вещества. Биогеохимический цикл фосфора - осадочный цикл с менее совершенной регуляцией круговорота фосфора.

Биогеохимический круговорот серы служит примером функциональной связи между атмосферой, водой и земной корой, так как сера активно циркулирует в каждом из этих «резервуаров» и между ними. В круговoротax азота и серы ключевую роль играют микроорганизмы.

Круговорот азота, включающий как газовую, так и минеральную фазу, несмотря на большое число участвующих в нем организмов, обеспечивает быструю циркуляцию азота в различных экосистемах (рис. 10.2).

Рис. 10.2. Схема круговорота азота (серый прямоугольник – резервный фонд азота)

 

Основной источник и резервуар азота - атмосфера, масса которой на 79% состоит из этого элемента. Участие живых организмов в круговороте азота подчинено строгой иерархии: только определенные виды микроорганизмов (бактерий) осуществляют биохимические процессы трансформации соединении азота на отдельных ключевых этапах этого цикла.

 

Большинство организмов, обитающих в биосфере, непосредственно не может использовать газообразный молекулярный азот (N2). Растения усваивают азот только в составе нитрат - ионов (NО3-) или ионов аммония (NH4+). Нитраты образуются в основном в результате жизнедеятельности микроорганизмов - азотфиксаторов, к которым относятся симбиотические бактерии рода Rhizobium, живущие в клубеньках на корнях бобовых растений, бактерии рода Azotobacter, обитающие в почве; и цианобактерии (сине-зеленые). Все микроорганизмы - азотофиксаторы способны фиксировать атмосферный азот благодаря очень сложному обмену веществ, включающему в качестве катализаторов молибден и гемоглобин. Симбиотические микроорганизмы-азотофиксаторы проникают в ткани корневой системы бобовых растений. Растения обеспечивают симбиотических бактерий местообитанием и пищей (сахарами), а те поставляют растению органический азот, который они синтезируют из газообразного азота. Свободно живущие не симбиотические микроорганизмы - азотофиксаторы (Azotobacter в цианобактерии) также усваивают газообразный азот и переводят его в органическую форму. При этом азот включается в синтезируемые белковые молекулы. После отмирания азотофиксирующих бактерий и минерализации органического вещества азот в нитратной форме (NO3-) обогащает почву.

Животные могут поглощать азот только в составе органических веществ растительного или животного происхождения. По типичным пищевым цепям (растения - травоядные - хищники) органический азот передается от микроорганизмов - азотофиксаторов растениям и всем другим организмам экосистемы. В почвах происходят процессы аммонификации (образования ионов аммония) и нитрификации (образования нитрат - ионов), состоящие из ряда последовательных реакций, в ходе которых при участии разных групп микроорганизмов происходит разрушение мертвого органического вещества.

Молекулярный азот возвращается в атмосферу и биогеохимический цикл азота замыкается в процессе жизнедеятельности бактерий - денитрификаторов рода Pseudomonas, восстанавливающих нитраты до свободного азота и кислорода в бескислородных (анаэробных) условиях.

Нитраты постоянно образуются из молекулярного азота в небольших количествах без участия микроорганизмов-азотфиксаторов при электрических грозовых разрядах в атмосфере. Затем эти нитраты выпадают с дождями на поверхность почвы. Еще одним источником поступления атмосферного азота в биогеохимический цикл -вулканы, компенсирующие потери азота, выключенного из круговорота при осаждении его на дно океанов.

Для того чтобы сопоставить масштабы различных процессов поступления атмосферного азота в биогеохимический цикл, необходимо иметь в виду следующее : среднегодовое поступление нитратного азота абиотического происхождения (грозовые разряды) из атмосферы в почву не превышает 10 кг/га, свободные микроорганизмы- азотофиксаторы вносят до 25 кг/га, в то время как симбиотические азотофиксирующие бактерии Rhizobium в среднем продуцируют до 200 кг/га.

Преобладающая часть азота, содержащегося в органическом веществе, перерабатывается денитрифицирующими бактериями в газообразный азот (N2) и вновь возвращается в атмосферу. Лишь около 10% минерального азота поглощается из почвы высшими растениями и оказывается в распоряжении многоклеточных организмов.

Круговорот фосфора. Фосфор входит в состав богатых энергией органических веществ - аденознитрифосфата (АТФ) и аденозиндифосфата (АДФ), являющихся переносчиками и аккумуляторами энергии в клетках растений и животных. Основным источником фосфора для растений служат фосфат-ионы (РО4-). Растения поглощают фосфат-ионы из окружающей среды (почвы или воды) и в процессе биосинтеза включают фосфор в состав оpганических веществ, образующих биомассу растений. Животные, поедая растения, получают фосфор в органической форме. Таким образом, переводя фосфор из минеральной формы в органическую, растения делают его доступным для животных. Круговорот фосфора в биосфере связан с процессами обмена веществ в растениях и животных. Этот важный биогенный элемент, содержание которого наземных частях растений и водорослях варьирует от 0.01 до 0,1%, а у животных от 0.1 % до нескольких процентов, в процессе циркуляции постепенно переходит из органических соединений в фосфаты, которые снова могут использоваться растениями (рис 10.3).

 

Рис. 10.3. Схема круговорота фосфора (серый прямоугольник - резервный фонд фосфора)

 

Если сравнить содержание фосфора в живом и неживом веществе биосферы, то окажется что диспропорция очень велика. Поэтому фосфор относится к числу наиболее дефицитных биогенных макроэлементов, определяющих развитие жизни.

Естественный биогеохимический круговорот фосфора в биосфере не сбалансирован. Основные запасы фосфора содержатся в горных породах (апатиты, фосфориты), из которых в процессе выщелачивания водорастворимые фосфаты (РО43-) попадают в наземные и водные экосистемы. Попадая в экосистемы суши, фосфор поглощается растениями из водного раствора в виде неорганического фосфат - иона (РО43-) и включается в состав различных фосфорорганических соединений. По пищевым цепям фосфорсодержащее органическое вещество переходит от растений к другим организмам экосистемы. Химически связанный фосфор попадает с остатками растений и животных в почву, где подвергается воздействию микроорганизмов и превращается в минеральные соединения фосфора, доступные растениям в ходе фотосинтеза. Вынос фосфатов из наземных экосистем в континентальные водоемы обогащает последние фосфором. Речной сток ежегодно выносит в Мировой океан около 2 млн. т фосфора.

В морских экосистемах минеральный фосфор переходит в состав фитопланктона, служащего пищей другим организмам моря, и накапливается в тканях морских животных, например, рыб. Часть органических соединений фосфора мигрирует по пищевым цепям в пределах небольших глубин, другая часть опускается на большие глубины в процессе осаждения мертвого органического вещества. Отмершие остатки организмов приводят к накоплению фосфора на разных глубинах. Отсюда следует, что фосфор, попадая в водоемы тем или иным путем, насыщает, а нередко и перенасыщает их экосистемы. Обратное движение фосфора из Мирового океана на сушу и в наземные водоемы ограничено (вылов рыб и других организмов человеком) и не компенсирует вынос фосфора с суши. И только в значительных временных интервалах, когда в процессе тектонического движения земной коры дно океанов становится сушей, происходит замыкание этого биогеохимического цикла.

Круговорот серы. Существуют многочисленные газообразные соединения серы, например сероводород (H2S) и сернистый ангидрид (SO3).

Однако преобладающая часть круговорота этого элемента имеет осадочную природу и происходит в почве и воде.

Подробная схема круговорота серы приведена на рис. 10.4.

Рис 10.4. Схема круговорота серы

 

Основной источник серы, доступный живым организмам, - сульфаты (SO42- ). Многие сульфаты растворимы в воде, и это определяет доступность неорганической серы для растений, так как многие элементы (в том числе и сера) могут поступать в живые организмы только в растворенном виде. Растения, поглощая сульфаты, восстанавливают их и вырабатывают незаменимые серосодержащие аминокислоты (метионин, цистеин, цистин), играющие важную роль в создании третичной (пространственной) структуры белков. Животные и микроорганизмы, потребляя растительную биомассу в пищу, усваивают серосодержащие органические соединения.

При разложении мертвого органического вещества (опавшая листва, погибшие организмы, продукты выделения) гетеротрофными бактериями сера вновь переходит в неорганическую форму (преимущественно в виде сероводорода H2S). Некоторые бактерии могут вырабатывать сероводород из сульфатов в анаэробных (бескислородных) условиях. Другая немногочисленная группа бактерий может восстанавливать сероводород до элементарной серы (S).

С другой стороны, существуют бактерии, опять окисляющие сероводород до сульфатов, благодаря чему вновь увеличивается запас серы в доступной для растений форме. Подобные бактерии называются хемосинтезирующими, так как они синтезируют органические вещества за счет энергии окисления простых химических веществ (в данном случае сероводорода). Этим обстоятельством они отличаются от фотосинтезирующих организмов, создающих органические вещества за счет энергии света.

Последняя фаза круговорота серы полностью осадочная (проходящая в осадочных породах). Она характеризуется выпадением в осадок этого элемента в анаэробных условиях в присутствии железа. Таким образом, процесс заканчивается медленным и постепенным накоплением серы в глубоко лежащих осадочных породах.

В целом экосистеме, по сравнению с азотом и фосфором, требуется значительно меньше серы. Поэтому сера реже является лимитирующим фактором для развития растений и животных. Вместе с тем круговорот серы относится к ключевым в общем процессе создания разложения органического вещества биомассы в биосфере. К примеру, при образовании в осадках сульфидов железа фосфор из нерастворимой формы переходит в растворимую и становится доступным для фотосинтезирующих организмов. Это служит наглядным подтверждением того, что один круговорот связан с другим и регулируется им.

Круговорот углерода. Углерод в качестве важнейшего структурного элемента входит в состав любого органического вещества, поэтому его круговорот во многом определяет интенсивность образования и разрушения органического вещества в различных частях биосферы. В природе углерод существует в двух наиболее распространенных минеральных формах - в виде карбонатов (известняков) и в виде подвижной формы углекислого газа (yглекислоты, СО2). В биохимическом круговороте углерода атмосферный фонд углекислого газa относительно невелик (711 млрд. т) в сравнении с запасами углерода в океанах (39000 млрд. т), в ископаемом топливе (12000 млрд. т) и наземных экосистемах (3100 млрд. т).

Приблизительно 93 % углекислого газа находится в океане, который способен удерживать намного больше этого химического соединения, чем другие резервуары. Большая часть углекислоты, поступающей из атмосферы в поверхностные слои морской воды, взаимодействует с водой с образованием угольной кислоты и продуктов ее диссоциации. Таким образом, в океане постоянно существует карбонатная система - сумма всех неорганических растворенных соединений углерода (углекислый газ СО2, угольная кислота Н2СО3 и продукты ее диссоциации).

Все эти соединения связаны между собой и могут превращаться друг в друга в процессе химических реакций при изменении условий окружающей среды. Например, в случае увеличения кислотности воды (при низких значениях рН) молекулы угольной кислоты распадаются на воду Н2О и углекислый газ СО2, при этом последний может удаляться из океана в атмосферу. Щелочные условия, наоборот, способствуют образованию карбонат -ионов (СОз2-), труднорастворимых карбонатов кальция (СаСО3) и магния (MgCO3), которые в виде осадка опускаются на дно и на какое-то время выводят углерод из круговорота в океане.

Как видно из рис. 10.5, содержащийся в атмосфере или гидросфере углерод (в виде углекислого газа СО2) в процессе фотосинтеза включается в органическое вещество растений и далее по пищевой цепи попадает в организмы животных и микроорганизмы. Обратный процесс перехода углерода из органической формы в минеральную происходит во время дыхания всех организмов животных, и растений (окисление органического вещества до углекислого газа (СО2) и воды (Н2О)). Процесс высвобождения углекислого газа из органического вещества происходит не сразу, а постепенно, частями на каждом трофическом уровне. В почве очень часто биогеохимический цикл углерода замедляется, так как органические вещества минерализуются не полностью, а трансформируются в органические комплексы - гумус.

Особенность функционирования наземных экосистем - значительное и относительно долговременное накопление органической формы углерода в биомассе растений и животных, а также в гумусе. Таким образом, биомасса наземных экосистем также может рассматриваться как значительный запас углерода в биосфере.

Рис. 10.5. Схема круговорота углерода (серые прямоугольники - резервные фонды углерода)

 

Океаническая ветвь биогеохимического цикла углерода имеет свои особенности, которые, учитывая значительный объем содержащегося в воде углерода, определяют важную роль Мирового океана в круговороте данного элемента. В водной среде в отличие от наземных экосистем основными фотосинтезирующими организмами являются одноклеточные микроскопические водоросли, парящие в водной толще (фитопланктон).

Жизнедеятельность организмов фитопланктона достаточно активна и сопровождается как накоплением органического углерода в виде биомассы, так и выделением растворенного органического углерода. Животные и бактерии потребляют эти органические формы углерода.

Особенностью функционирования водной экосистемы является быстрый переход органических форм углерода по пищевой цепи от одних организмов к другим. В отличие от наземных экосистем в океане не образуются значительные запасы органического углерода в биомассе живых организмов. Большая часть органического углерода в гидросфере вновь потребляется и в конце концов окисляется до минеральной формы - углекислого газа (СО2). Другая часть мертвого органического вещества (детрит) под действием силы тяжести оседает в глубокие слои водной толщи и откладывается на дне, где может долгое время сохраняться в виде органических осадков.

Небольшая часть органического вещества и содержащегося в нем углерода, по терминологии В.И. Вернадского, ускользает от круговорота и «уходит в геологию» - в отложения в виде торфа, угля, нефти и известняка в водных экосистемах.

Современный баланс углекислого газа в атмосфере представлен в табл. 10.1.

Таблица 10.1

Ежегодный баланс СО2 в атмосфере

  Таким образом, около из 6,41 млрд. т углекислого газа, ежегодно выбрасываемых… В целом в биосфере в постоянном круговороте находится около 0,2% мобильного запаса углерода. Углерод биомассы…

Контрольные вопросы и задания.

 

1. Что называется биогеохимическими циклами и как они связаны с экосистемами?

2. Охарактеризуйте резервный и обменный фонд в круговороте химических элементов.

3. Укажите блоки экосистем, через которые проходят биогеохимические циклы элементов.

4. В круговороте каких биогенных элементов ключевая роль принадлежит микроорганизмам?

5. Для каких элементов атмосфера является резервным фондом?

 


ЭКОЛОГИЯ ПОПУЛЯЦИЙ

 

Каждый биологический вид, существующий в природе, - это сложный комплекс внутривидовых групп организмов с однотипными чертами строения, физиологией и образом жизни. Такими внутривидовыми группами организмов являются популяции.

Популяция - группа организмов одного вида, способная поддерживать свою численность длительное время, занимающая определенное пространство и функционирующая как часть биотического сообщества экосистемы

Биотическое сообщество представляет собой совокупность популяций организмов разных видов, функционирующих как целостная система в определенном физико-географическом пространстве среды обитания.

Приспособительные возможности у популяции значительно выше, чем у слагающих ее индивидов. Популяция как биологическая единица обладает определенной структурой и функциями.

Популяция обладает биологическими свойствами, присущими как популяции в целом, так и составляющим ее организмам, и групповыми свойствами, проявляющимися только в целой группе. К биологическим свойствам популяции относятся, в частности, рост и участие в круговороте веществ. В отличие от биологических, групповые свойства: рождаемость, смертность, возрастная структура, распределение в пространстве, генетическая приспособленность и репродуктивная непрерывность (т.е. вероятность оставления потомков на протяжении длительного периода времени) - могут характеризовать только популяцию в целом.

Ниже представлены основные показатели популяции.

Плотность популяции - это численность популяции, отнесенная к единице пространства. Ее обычно измеряют и выражают числом организмов (численность популяции) или суммарной биомассой организмов (биомассой популяции) на единицу площади или объема, например, 500 деревьев на 1 га, 5 млн. микроводорослей на 1 м3 воды или 200 кг рыбы на 1га поверхности водоема.

Иногда бывает важно различить удельную, или экологическую плотность (численность или биомассу на единицу обитаемого пространства, т. е. фактически доступного для организмов конкретной популяции) и среднюю плотность (величину популяции, отнесенную к единице пространства в географических пределах обитания популяции). Например, средняя плотность лесных лягушек - это их численность, отнесенная к площади лесного массива. Однако эти животные обитают только в заболоченных участках леса, площади которых учитываются при расчете удельной плотности популяции.

Плотность популяции не является постоянной величиной - она изменяется с течением времени в зависимости от условий обитания, сезона года и т. д. Распределение организмов в пространстве, занимаемом популяцией, может быть случайным, равномерным и групповым. Чаще всего в природе встречаются различного рода скопления организмов одного вида (групповое распределение: семейные группы и стаи у животных, групповые заросли у растений).

Наиболее полное представление о плотности популяции дает комплексное использование показателей: численность особей хорошо характеризует их среднюю удаленность друг от друга; биомасса - концентрацию живого вещества; калорийность - количество связанной в организмах энергии. Как правило, плотность популяции растений выше, чем плотность популяции травоядных животных на той же территории. Чем крупнее организмы, тем больше их биомасса.

Плотность - одно из важнейших свойств популяции. От плотности популяции зависят дыхание, питание, размножение и многие другие функции отдельных организмов популяции. Чрезмерная плотность популяции ухудшает условия ее существования, снижая обеспеченность организмов пищей, водой, жизненным пространством и т. д. Отрицательно влияет на существование популяции и недостаточная ее плотность, которая затрудняет выбор особей противоположного пола, защиту популяции от хищников и т.д. (см. подробнее о массовых и групповых эффектах в лекции 6).

Существует ряд механизмов поддержания плотности популяций на нужном уровне. Главный из них - саморегуляция численности популяции по принципу обратной связи с количество и ограниченных жизненных ресурсов, в частности, пищи. Так, когда пищи становится меньше, рост особей замедляется, смертность возрастает, половая зрелость (т. е. способность к размножению) наступает позже, и в результате численность популяции и ее плотность снижается. Улучшение условий существования сопровождается я изменениями противоположного характера, и плотность популяции возрастает до определенного предела. Численность популяции может колебаться вследствие миграции, смены поколений, появления новых особей (благодаря рождению и вселению из других популяций) или в результате гибели. Изучение динамики численности популяции весьма важно для предсказания вспышек численности организмов вредителей или промысловых животных.

Численность популяции определяется в основном двумя противоположными явлениями - рождаемостью и смертностью.

Рождаемость - это способность популяции к увеличению численности. Она характеризует появление на свет новых организмов в процессе: рождения у животных, прорастания семян у растений, образования новых клеток в результате деления у микроорганизмов. Общее число новых молодых особей (), появившихся в популяции за единицу времени (Δt), называют абсолютной (общей) рождаемостью. Для сравнения рождаемости разных популяций используется понятие удельной рождаемости (b), выраженной числом новых особей на одну особь в единицу времени:

Так, для популяций человека в качестве показателя удельной рождаемости используют количество новорожденных детей, родившихся за 1 год на 1 тыс. населения.

Максимальная (потенциальная) рождаемость - это теоретический максимум скорости появления новых особей в идеальных условиях (когда скорость размножения не снижается под действием лимитирующих экологических факторов). Максимальная рождаемость - величина постоянная для данной популяции. В реальных (природных) условиях существования популяции уровень рождаемости определяется различными факторам среды, которые ограничивают скорость появления новых особей. Поэтому для оценки динамики численности популяции используют понятие экологической (реализованной) рождаемости, представляющей увеличение числа особей в популяции в конкретных условиях среды обитания. Экологическая рождаемость - величина непостоянная и сильно варьирует в зависимости от плотности популяции и условий среды обитания.

Различие между максимальной и реализованной рождаемостью можно проиллюстрировать следующим примером. В опытах с мучным хрущаком эти жучки отложили 12 000 яиц (максимальная рождаемость), из которых вылупились только 773 личинки (или 6%)- величина реализованной рождаемости. В общем, для биологических видов, которым не свойственна забота о потомстве (например, многие насекомые, рыбы, земноводные), характерна высокая потенциальная рождаемость и низкая реализованная рождаемость.

Смертность - количество особей в популяции, погибших за определенный период. Понятие смертности противоположно понятию рождаемости. Общее число погибших особей (ΔN) за единицу времени (Δt) называется абсолютной (общей) смертностью. Смертность можно выразить числом особей погибших в единицу времени в расчете на одну особь - удельная смертность (d):

Экологическая (реализованная) смертность - число погибших особей в конкретных природных условиях. Как и экологическая рождаемость, она не постоянна и зависит or особенностей окружающей среды. Теоретическая минимальная смертность - величина постоянная, характеризующая гибель особей (от старости) в идеальных условиях среды (т. е. в отсутствие лимитирующего влияния факторов среды обитания). В конкретных условиях скорость убывания численности популяции определяется гибелью от хищников, полезней и старости.

Часто при описании динамики численности популяции используют понятие выживаемости, т. е. величины, обратной смертности. Если смертность d , то величина выживаемости 1 - d.

Как и рождаемость, смертность и. соответственно, выживаемость у многих организмов в значительной степени варьируют с возрастом. В связи с этим большое значение имеет определение удельной смертности для разных возрастных групп, поскольку это позволяет экологам выяснить механизмы, определяющие общую смертность в популяции. Продолжительность жизни особей популяции можно оценить, используя кривые выживания (рис. 11.1) Откладывая по oси абсцисс возраст особи как процент от общей продолжительности жизни, а по оси ординат - число особей доживших до конкретного возраста, можно сравнить кривые выживания для видов, продолжительность жизни особей которых значительно различается.

Рис 11.1. Типы кривых выживания; 1 - дрозофила; 2 - человек; 3 - пресноводная гидра; 4 - устрица.

 

Кривые выживания подразделяются на три общих типа (см. риc. 11.1)

Первый тип (выпуклые кривые 1 и 2) характерен для таких видов в популяции которых наибольшая смертность приходится на конец жизни, т. е. смертность почти до конца жизненного цикла остается низкой и резко повышается только у старых особей. Большинство особей одной популяции имеют примерно одинаковую продолжительность жизни, например, крупные животные.

Другой крайний вариант (сильновогнутая кривая 4) соответствует высокой смертности на ранних стадиях жизненного цикла и повышению выживаемости более взрослых стадий. Этот тип смертности свойственен большинству растений и животных. Максимальная скорость гибели характерна для личиночной фазы развития или в молодом возрасте у животных, а также у многих растений в стадии прорастания семян и всходов. При достижении взрослого состояния организмы становятся более устойчивыми к неблагоприятным воздействиям экологических факторов, и их смертность значительно снижается (и увеличивается выживаемость). Так, при развитии личиночных стадий рыб до половозрелого состояния взрослых особей, доживает, как правило, не более 1...2 % oт общего количества выметанных икринок. У насекомых до половозрелого состояния доживает еще меньше: oт 0,3 до 0,5% от общего количества отложенных яиц.

К промежуточному типу (линия 3) относятся кривые выживания для тех видов, у которых удельная выживаемость для каждой возрастной группы более или менее одинакова (пресноводная гидра). Вероятно, в природе почти не существует популяций, у которых выживаемость постоянна на протяжении всего жизненного цикла.

Форма кривой выживания связана со степенью заботы о потомстве и другими способами защиты молоди. Так, кривые выживания пчел и дроздов (которые заботятся о потомстве) значительно менее вогнуты, чем у кузнечиков и сардин (которые не заботятся о потомстве).

Возрастная структура популяции - это соотношение в популяции особей разного возраста.

Возрастной состав является важной характеристикой популяции, которая влияет как на рождаемость, так и на смертность. Большинство популяций в природе состоит из особей разного возраста и пола.

Упрощенно в популяции можно выделить три экологические возрастные группы:

предрепродуктивная - молодые особи, еще не достигшие половой зрелости, т. е. не способные участвовать в размножении;

репродуктивная - половозрелые особи, способные участво­вать в размножении;

пострепродуктивная - старые особи, утратившие способность участвовать в размножении.

Отношение этих возрастов к общей продолжительности жизни в популяции сильно варьирует у разных видов. На количественное соотношение разных возрастных групп в популяции влияют общая продолжительность жизни, время достижения половой зрелости, интенсивность размножения, смертность в разных возрастах. В свою очередь соотношение разных возрастных групп в популяции определяет ее способность к размножению в данный момент и показывает, чего можно ожидать в будущем. Изменение соотношения численности основных возрастных групп в популяциях графически изображается в виде возрастных пирамид (рис. 11.2). В быстрорастущей популяции значительную долю составляют молодые особи (рис. 11.2, а) популяции, численность которой не меняется со временем, возрастной состав более равномерный (рис. 11.2, б), а в популяции, численность которой снижается, будет увеличиваться доля старых особей (рис. 11.2, в).

Рис. 11.2. Три типа возрастных пирамид, характеризующие популяции

с высокой (а), умеренной (б) и малой (в) относительной численностью

молодых особей (в % от общей численности популяции):

1 - предрепродуктивная, 2 - репродуктивная, 3- пострепродуктивная возрастная группа

 

Рост популяции и кривые роста. Если рождаемость в популяции превышает смертность, то наблюдается рост численности популяции.

Каждой популяции и каждому виду в целом свойствен биотический потенциал - максимальная теоретически возможная скорость роста (r) популяции, представляющая собой разность между удельной рождаемостью (b) и удельной смертностью (d):

r = b-d.

Увеличение численности популяции может быть описано кривыми роста двух основных типов - J-образной кривой (экспоненциальный рост) и S-образной кривой (затухающий рост).

Экспоненциальный рост численности популяции характеризуется J-образной кривой роста и происходит когда пищевые пространственные и другие важные жизненные ресурсы популяции находятся в избытке, а смертность с возрастанием численности особей не увеличивается (рис. 11.3).

Уравнение J-образной кривой роста имеет вид

где N - численность популяции; t- время; r - константа скорости роста численности популяции, связанная с максимальной скоростью размножения особи данного вида (биотический потенциал).

Рис. 11.3. J-образная кривая роста мелких ракообразных (дафний):

К- поддерживающая емкость среды

 

Как следует из уравнения J-образного роста, численность популяции быстро возрастает, так как скорость роста в этом случае пропорциональна численности популяции. При достижении предельной для данного местообитания численности особей, равной К (поддерживающая емкость среды), рост популяции быстро прекращается и численность популяции уменьшается. Через некоторое время (различное для разных видов) при возникновении избытка необходимых для развития популяции ресурсов экспоненциальный рост может возобновиться. Таким образом, для организмов с подобным типом роста популяции (J-численности характерны периодически повторяющиеся вспышки численности с последующей гибелью большей части популяции (это относится к фитопланктону, мелким ракообразным, насекомым и др.).

Уравнение J-кривой роста характеризует возможности увеличения численности популяций, которые редко реализуются в природе из-за множества лимитирующих факторов среды.

Таким образом, в чистом виде экспоненциальный рост - абстракция, помогающая моделировать изменения численность популяций в некоторых условиях. В частности, знание коэффициента r оказывается очень важным для прогноза возможных вспышек численности, когда надо определить потенциальную способность популяции к росту.

В природных условиях экспоненциальный характер роста популяции может наблюдаться в течение непродолжительного периода при изобилии пищи и отсутствии скученности и врагов («цветение» фитопланктона в водоемах весной, вспышки численности вредителей и пр.). Очевидно, что такой рост не может продолжаться очень долго, а часто и вовсе отсутствует.

Затухающий рост. В тех случаях, когда с увеличением популяции дальнейшие возможности ее роста становятся все более ограниченными, изменение численности описывается S-образной кривой (рис. 11.4), уравнение которой имеет вид

где К - поддерживающая емкость среды, т. е. максимальное число организмов, способных развиваться в данных условиях среды.

Рис. 11.4. Типичная S-образная кривая роста бактерий: К- поддерживающая емкость среды

 

В уравнении S-образной кривой роста меняется при изменении плотности популяции, т.е. чем выше плотность, тем меньше скорость роста популяции. Характерная форма кривой обусловлена постепенным усилением (по мере нарастания плотности популяции) действия неблагоприятных факторов (уменьшение количества доступной пищи, убежищ, мест гнездования и т. д.).

Так при N<K скорость роста положительна; N=K скорость роста равна нулю, при N>K скорость роста отрицательна (численность популяции уменьшается).

Кривая роста S-образной формы хорошо описывает рост популяции многих животных, растений, микроорганизмов.

Рассмотрим особенности роста популяции одноклеточной бактериальной клетки, помещенной в оптимальную для развития питательную среду. Особенности роста культуры бактерий в питательной среде отражены на рис. 11.4.

На кривой роста культуры бактерий можно выделить три фазы роста:

- логарифмическую фазу, когда бактерии растут и размножаются с максимально возможной скоростью и число клеток увеличивается экспонциально;

- стационарную фазу, когда рост бактерий начинает замедляться в результате уменьшения запаса питательных веществ и выделения продуктов жизнедеятельности. (С увеличением плотности популяции скорость роста снижаетсядо нуля и кривая роста выходит на плато. При этом скорость размножения уравновешена смертностью);

- фазу замедленного роста, когда скорость роста становится отрицательной и численность популяции снижается в результате исчерпания ресурсов среды; уменьшения запасов питательных веществ и накопления в среде продуктов обмена, токсичных для бактерий. (В этой фазе в популяции продолжают появляться новые молодые особи, но они не компенсируют убыль в результате гибели части особей).

Итак, групповые свойства популяции можно оценить по таким показателям, как рождаемость, смертность, возрастная структура, соотношение полов, форма кривой роста. Плотность популяции определяется ее внутренними свойствами и также зависит от факторов, действующих на популяцию извне.

Колебания численности популяций. Когда популяция прекращает расти, ее плотность колеблется относительно верхнего уровня численности. Часто колебания обусловлены сезонными или годовыми изменениями доступности пищевых ресурсов. Однако у некоторых популяций колебания численности столь регулярны, что их можно рассматривать как циклические.

Амплитуда колебаний зависит от особенностей вида и от условий его существования. У многих крупных позвоночных (при относительно постоянных условиях - окружающей среды) численность может изменяться в несколько раз. В то же время у насекомых диапазон колебаний численности популяции шире в 40-50 раз, а в отдельные годы (при благоприятных условиях) численность популяции возрастает в десятки и даже миллионы раз. Например, вспышки численности саранчи происходят с интервалом примерно один раз в 40 лет. Помимо нерегулярных вспышек численности могут возникать и регулярные вспышки, обусловленные изменениями различных факторов среды - температуры, пищевых ресурсов и пр.

Следует отметить, что повышение плотности популяций сверх оптимальной величины оказывает на них неблагоприятное воздействие, так как при этом сокращается пищевой ресурс, уменьшается жизненное пространство, быстро распространяются болезни т.д. У многих видов животных при росте плотности популяции снижается плодовитость.

Экологические стратегии. Приспособления организмов в конечном счете предназначены для того, чтобы повысить вероятность их выживания в конкретных условиях среды и чтобы они могли оставить максимально возможное число потомков. Разные виды по разному достигают этого. Одни популяции интенсивно увеличивают свою численность в условиях незанятых пространств, когда много доступных пищевых ресурсов и незначительна конкуренция с другими видами. Особи таких популяций быстро растут и размножаются, занимая всю свободную территорию. Быстро размножающиеся виды имеют высокое значение биотического потенциала (r) в уравнении динамики численности популяции и называются r-видами. Так, численность популяций однолетних растений и насекомых обычно быстро возрастает весной и летом, а с наступлением холодной погоды либо с увеличением численности других (конкурирующих) видов их численность резко сокращается. Однако существуют и такие популяции, которые обычно не способны резко увеличивать свою численность, так как обладают низкой скоростью размножения. Вместе с тем они обладают большей способностью добывать в конкурентной борьбе скудные пищевые ресурсы и более эффективно их использовать. Численность таких популяций более стабильна и сохраняется на уровне, близком к поддержанию емкости среды К. Соответствующие виды называются К-видами.

Таким образом, существуют два типа приспособленности биологических видов к конкретным условиям среды обитания, которые определяют экологические стратегии видов.

Экологическая стратегия вида -это совокупность приспособлений организмов, обеспечивающих в конечном cчeтe максимально возможную численность популяции данного вида в конкретном сообществе.

Различают два типа экологических стратегий – r - и К-стратегии (табл. 11.1).

Первая из них r-стратегия развития популяции - присуща видам, обладающим высокой скоростью размножения (т.е. для них характерен высокий уровень биотического потенциала r). Это, как правило, так называемые пионерные виды, быстро осваивающие новые территории и заполняющие их своим потомством. Но r- виды плохо приспособлены к конкуренции и при последующем развитии сообщества вытесняются К-видами.

Вторая - К-стратегия - характерна для видов с низкой скоростью размножения, но высокой устойчивостью к действию факторов среды. Скорость размножения этих видов зависит от плотности и остается близкой к уровню равновесия (К). К-виды медленно занимают новые территории, но, освоив их, хорошо приспосабливаются к новым условиям среды.

Эти две стратегии представляют собой два различных способа решения одной и той же стратегической задачи - длительного выживания вида.

Таблица 11.1

Характерные особенности г- и K-стратегий

Параметры и характеристики r-стратегия К-стратегия
Рождаемость   Конкурентоспособность Кривая выживания Кривая роста популяции Продолжительность жизни Расселение   Размеры организмов Забота о потомстве Примеры Высокая и независимая от плотности популяции Низкая Обычно 4-го типа J-образная кривая Короткая, обычно менее одного года Быстрое и широкомасштабное Небольшие Нет Бактерии, тли, однолетние растения Низкая и зависимая от плотности популяции Высокая Обычно 1-3-го типов S-образная кривая Долгая; обычно более одного года Медленное   Большие Есть Млекопитающие

Составлено по: Пианки Э. Эволюционная экология: Пер. с англ. М., 1981; Одум Ю. Указ. Соч.

Контрольные вопросы и задания

1. Дайте определение популяции.

2. Назовите основные свойства популяции

3. Что понимается под биотическим потенциалом? Почему он не полностью реализуется в природных условиях? Какие факторы ограничивают реализацию биотического потенциала?

4. Назовите основные типы роста популяции.

5. В чем состоит основное отличие и сходство двух типов экологических стратегий?

 


СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ ЭКОСИСТЕМ

Под системой понимается упорядочение взаимодействующие и взаимозависимые компоненты, образующие единое целое. Целое - это определенное единство элементов, имеющее свою структуру. Понятие… Системы имеют следующие специфические свойства:

Контрольные вопросы и задания

1. Что входит в понятие экосистемы?

2. Назовите основные компоненты, входящие в состав любой полноценной экосистемы. Какую роль в экосистеме играют эти компоненты?

З.Что такое пищевая цепь и как она связана с трофической структурой экосистемы?

4. Охарактеризуйте механизм гомеостаза экосистемы.

 


РАЗВИТИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ЭКОСИСТЕМ

Развитие экосистемы, или экологическая сукцессия (от лат. successio - преемственность, наследование), - это изменение во времени видовой структуры и… Процесс сукцессии начинается в результате изменений фундаментальных свойств… Обычно различают первичные и вторичные, автотрофные т гетеротрофные, аллохтонные и автохтонные сукцессии.

Контрольные вопросы и задания

1. Дайте определение экологической сукцессии. Какие бывают виды сукцессии?

2. Приведите примеры первичных и вторичных, автотрофных и гетеротрофных сукцессии.

3. Какие изменения происходят в экосистемах в ходе сукцессионного развития?

4. Охарактеризуйте климаксную экосистему.

 


Нормирование качества окружающей среды

Антропогенное воздействие химических загрязняющих веществ является существенным фактором риска для здоровья человека и функционирования природных… На рис. 14.1 приведены данные об ориентировочной численности населения,…

Предельно допустимая концентрации (ПДК) - максимальная концентрация загрязняющего химического вещества в окружающей среде, которая при повседневном влиянии в течение длительного времени не вызывает негативных последствий для живых организмов (в том числе человека) и их потомков.

В первую очередь были разработаны нормативы условий среды, приемлемых для человека. Тем самым было положено начало работам в области санитарно-гигиенического нормирования. Однако человек не самый чувствительный из биологических видов, и принцип «Защищен человек - защищены и экосистемы» в сущности, неверен.

Экологическое нормирование предполагает учет допустимой нагрузки на экосистему.

Допустимой считается такая антропогенная нагрузка на экосистему, под воздействием которой отклонения от нормального состояния системы не превышают естественных изменений и, следовательно, не вызывают нежелательных последствий у живых организмов и не ведут к ухудшению качества среды.

Следует отметить, что к настоящему времени не только в России, но и в других странах известны лишь единичные попытки учёта допустимой экологической нагрузки, что вызвано в первую очередь чрезвычайной сложностью природных экологических систем и необходимостью концептуального решения вопроса о том, какие показатели состояния экосистем должны использоваться при экологическом нормировании. Таким образом, существующие нормативы в подавляющем большинстве являются санитарно-гигиеническими, т. е. ориентированы на сохранение

здоровья населения.

Санитарно-гигиеническое нормирование устанавливает концентрации вредного вещества в единице объема (воздуха, воды), массы (пищевых продуктов, почвы) или поверхности (кожа работающих), которые при воздействии в течение определенного времени почти не влияют на здоровье человека и не вызывают неблагоприятных последствий у его потомства.

Таким образом, санитарно-гигиеническое нормирование охватывает все среды и различные пути поступления вредных веществ в организм, хотя редко отражает комбинированное действие (одновременное или последовательное действие нескольких веществ при одном и том же пути поступления). Кроме того, оно не всегда учитывает эффекты комплексного поступления вредных веществ в организм различными путями и с различными средами - с воздухом, водой, пищей, а также через кожные покровы, совокупного воздействия всего многообразия физических, химических и биологических факторов окружающей среды. Существуют лишь ограниченные перечни веществ, обладающих эффектом суммации при их одновременном содержании в атмосферном воздухе.

В результате производственной деятельности человечества техногенные изменения в биосфере опережают адаптивные возможности человеческого организма и природных экосистем. Происходят глубокие изменения в разных средах обитания: воздушной, водной, почвенной, организменной. Возникает вопрос: токсические поражения, какой из сред наиболее негативно сказываются на здоровье человека и на состоянии экосистем? Проведенные исследования показали, что именно последствия антропотехногенного воздействия на атмосферу становятся причиной глобальных изменений в биосфере. К такого рода негативным последствиям относятся:

1) парниковый эффект и глобальное изменение климата, разрушение озонового слоя, проникновение губительного жесткого ультрафиолетового излучения, выпадение кислотных дождей и радиоактивных осадков, трансграничные переносы загрязняющих веществ и др.;

2) одновременное нахождение в атмосфере множества разнообразных загрязняющих веществ, увеличивающих риск возникновения опасных негативных эффектов у отдельных живых организмов и целых экосистем вследствие усиления комбинированного воздействия (синергизма);

3) облегченный доступ загрязняющих веществ в организм человека (легкие, затем кровь) непосредственно из атмосферного воздуха в процессе дыхания (20 000 л в сутки) (установлено, что загрязняющее вещество, поступающее в организм человека ингаляционным путем, т. е. в процессе дыхания, действует в 80-100 раз сильнее, чем при поступлении через желудочно-кишечный тракт);

4) трудность защиты от ксенобиотиков (можно не употреблять загрязненные продукты питания и недоброкачественную воду, но нельзя избежать влияния загрязненного воздуха).

Нормирование качества воздуха. Под качеством атмосферного воздуха понимают совокупность свойств атмосферы, определяющую степень воздействия физических, химических и биологических факторов на людей, растительный и животный мир, а также на материалы, конструкции и окружающую среду в целом.

Предельно допустимая концентрация вредного вещества в воздухе рабочей зоны (ПДКрз) концентрация, которая при ежедневной (кроме выходных дней) работе в течение 8 ч на протяжении всего рабочего стажа не должна вызывать заболевания или отклонения в состоянии здоровья людей (табл. 14.1).

Как следует из определения, ПДКрз представляет собой норматив, ограничивающий воздействие вредного вещества на взрослую работоспособную часть населения в течение периода, установленного трудовым законодательством.

Предельно допустимая концентрация максимально разовая (ПДКмр) - концентрация вредного вещества в воздухе населенных мест, не вызывающая при вдыхании в течение 20 мин рефлекторных реакций в организме человека.

 

Таблица 14.

 

Понятие ПДКмр используется при установлении научно-технических нормативов - предельно допустимых выбросов загрязняющих веществ. В результате рассеяния примесей в воздухе при неблагоприятных метеорологических условиях на границе санитарно-защитной зоны предприятия концентрация вредного вещества в любой момент не должна превышать ПДКмр.

Предельно допустимая концентрация среднесуточная (ПДКсс) _ это концентрация вредного вещества в воздухе населенных мест, которая не должна оказывать на человека прямого или косвенного воздействия при неограниченно долгом (годы) вдыхании.

Таким образом, ПДКсс рассчитана на все группы населения и на неопределенно долгий период воздействия и, следовательно, является самым жестким санитарно-гигиеническим нормативом, устанавливающим концентрацию вредного вещества в воздушной среде. Именно величина ПДКсс может служить эталоном для оценки состояния воздушной среды в селитебной зоне (зона населённых пунктов, предназначенная для размещения жилого фонда и общественных зданий). Учитывая, что существует несколько видов ПДК воздушной среды, совершенно недопустимо говорить о ПДК воздуха вообще, не уточняя, о каком нормативе идет речь.

В последнее время растет число публикаций, описывающих отдельные эффекты действия загрязняющих веществ на отдельные виды живых организмов, в том числе атмосферных примесей на растительность. Так, установлено, что лишайники и хвойные породы деревьев в большей степени, чем прочие автотрофные организмы, реагируют на присутствие в воздухе кислых газов, в первую очередь сернистого ангидрида. Некоторые исследователи предлагают установить предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ для диких видов живых организмов, обитающих в природных экосистемах, с тем, чтобы использовать эти нормативы при оценке ущерба и ограничении воздействия на особо охраняемые природные объекты. Однако до введения государственных нормативов еще далеко.

Нормирование качества воды. В соответствии с действующими правилами и нормами (Государственный регламент) питьевая вода должна быть безопасна в эпидемическом и радиационном отношении, безвредна по химическому составу и должна иметь соответствующие органолептические свойства (т. е. воспринимаемые органами чувств): температура, прозрачность, цвет, запах, вкус, жесткость. Под качеством воды в целом понимается характеристика ее состава и свойств, определяющая ее пригодность для конкретных видов водопользования; показатели качества представляют собой признаки, по которым производится оценка качества воды.

По санитарному признаку устанавливаются микробиологические и паразитологические показатели качества воды (число микроорганизмов и число бактерий группы кишечных палочек в с единице объема, количество цист гельминтов).

Токсикологические показатели качества воды, характеризующие безвредность ее химическою состава, определяются содержанием химических веществ, которое не должно превышать установленных нормативов. Предельно допустимая концентрация в воде водоема хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования (ПДКв) - это концентрация вредного вещества в воде, которая не должна оказывать прямого или косвенного влияния на организм человека в течение всей его жизни и на здоровье последующих поколений и не должна ухудшать гигиенические условия водопользования.

Рыбохозяйственное нормирование. ПДК химических веществ для рыбохозяйственных водоемов в отличие от гигиенических норм устанавливают в ходе экспериментов на водных организмах (гидробионтах) с помощью приемов и методов водной токсикологии. Биотестирование токсичности вещества - это токсикологический эксперимент, в ходе которого определяют параметры токсичности: максимально не действующую концентрацию (МНК), летальные (ЛД|100) и полулетальные (ЛД50) дозы (индекс обозначает долю погибших опытных организмов при соответствующей концентрации химического вещества).

Опыты по установлению ПДК рыбохозяйственных водоемов проводят с водными организмами, представляющими основные трофические звенья водной экосистемы, промысловыми рыбами, кормовыми беспозвоночными, водорослями. У разных видов тест-организмов наблюдаются большие различия в чувствительности. Поэтому выявляют самое слабое звено среди всех использованных организмов и устанавливают максимально не действующую концентрацию, которую принимают за основу в расчетах ПДК.

Нормирование и контроль загрязнения почвы. Принцип контроля загрязнения почв - это проверка соответствия концентраций загрязняющих веществ установленным нормам и требованиям (Государственному регламенту). Понятие ПДК для почвы несколько отличается от такового для других сред.

ПДК загрязняющих веществ в почве - это максимальная концентрация загрязняющего вещества, которая не вызывает прямого или опосредованного негативного воздействия на здоровье человека и способность почв к самоочищению.

Так, ПДК пестицидов в почве представляет собой максимальное содержание остатков пестицидов, при котором они мигрирую в сопредельные среды в количествах, не превышающих гигиенические нормативы, а также не влияют отрицательно на биологическую активность самой почвы.

Таким образом, существуют различные нормативы предельно допустимых концентраций веществ в различных средах: ПДК в воздухе рабочей или жилой зоны, ПДК рыбохозяйственных водоемов, ПДК в водоемах хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования, ПДК в продуктах питания и т. д.

Санитарно-гигиенические и экологические нормативы определяют качество окружающей среды по отношению к здоровью человека и состоянию экосистем, но в них не указан источник воздействия и не регулируется его деятельность. Требования, предъявляемые к источникам воздействия, отражены в научно-технических нормативах.

К научно-техническим нормативам относятся нормативы выбросов и сбросов вредных веществ (ПДВ и ПДС), а также технологические, строительные, градостроительные регламенты, содержащие требования по охране окружающей природной среды. В основу установления научно-технических нормативов положен следующий принцип: при условии соблюдения этих нормативов предприятиями региона содержание любой примеси в воде, воздухе и почве должно удовлетворять требованиям санитарно-гигиенического нормирования.

Научно-техническое нормирование предполагает введение ограничений деятельности хозяйственных объектов в отношении загрязнения окружающей среды, иными словами, позволяет определять предельно допустимые потоки вредных веществ, которые могут поступать от источников воздействия в воздух, воду, почву. Таким образом, от предприятий требуется не собственно обеспечение тех или иных ПДК, а соблюдение пределов выбросов и сбросов вредных веществ, установленных для объекта в целом или конкретных источников, входящих в его состав. Зафиксированное превышение величин ПДКВ или ПДКмр в окружающей среде само по себе не является нарушением со стороны предприятия, хотя, как правило, служит сигналом невыполнения установленных научно-технических нормативов (или свидетельством необходимости их пересмотра).

Система контроля, основанная на дифференцированном определении концентрации вредных веществ и сопоставлении их с предельно допустимыми концентрациями (ПДК), недостаточно эффективна. Следует иметь в виду, что во многих случаях при установлении ПДК учитывается только прямое токсикологическое взаимодействие и игнорируются реально существующие косвенные факторы, которые могут обусловить возможные отдаленные последствия

Не менее серьезным недостатком контроля, основанного на системе ПДК, является то, что изолированное действие отдельных химических веществ без учета реальной экологической ситуации не отражает истинной картины. Изолированного действия не существует - действует вся сумма факторов, взаимодействие которых может усиливать или ослаблять эффект воздействия каждого. На сегодняшний день установлено всего около 1000 ПДК вредных веществ для водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования и около 700 ПДК загрязняющих веществ для рыбохозяйственных водоемов. В то же время, известно, что число загрязняющих веществ антропогенного происхождения в диапазоне концентраций 10-4... 10-7 % в водоемах и водотоках превысило миллион наименований и ежегодно синтезируется свыше четверти миллиона новых химических веществ. Такое несоответствие усугубляется тем, что не более 10 % общего числа нормированных вредных веществ анализируется методами на уровне ПДК.

Не дает возможности получать адекватную оценку состояния водных экосистем и использование методов биотестирования - экспериментальное определение токсичности воды для гидробионтов, основанное на регистрации реакций тест-объектов. Возможность экстраполяции результатов экспериментов по биотестированию, полученных в условиях близких к природным, на естественные водоёмы, крайне ограничена, так как при разработке и стандартизации методик биотестирования невозможно учесть все особенности жизнедеятельности организма в природной среде.

Таким образом, широко распространенная система государственного контроля, основанная на дифференцированном определении концентрации отдельных контролируемых вредных веществ, как и методы биотестирования, не может дать адекватной оценки состояния водных экосистем. Это происходит потому, что на водные экосистемы помимо химического загрязнения негативное влияние оказывают многие другие антропогенные факторы, например тепловое и биологическое загрязнения. Все это обусловливает необходимость дальнейшей концептуальной разработки новых экспериментальных методов и подходов, обеспечивающих возможность непосредственной оценки состояния природных экосистем и отдельных их компонентов.

 

Контрольные вопросы и задания

 

1 Чем вызвана необходимость нормирования антропогенного воздействия на природную среду?

2 Как определяется вредность загрязняющих веществ?

3. Назовите основные отличия систем нормирования качества компонентов окружающей среды.

4. Дайте определение ПДК. Что лежит в основе экологического и санитарно-гигиенического нормирования?

5. Чем объясняется малоэффективность экологического контроля по нормативам ПДК?

 


МОНИТОРИНГ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

 

Первым необходимым этапом на пути решения современных экологических проблем должно быть создание системы получения (сбора) надежной информации о состоянии окружающей природной среды. В конце 1960-х годов многие страны осознали необходимость координации усилий в развитии этого направления. В 1972г. в Стокгольме на конференции по охране окружающей среды под эгидой ООН было принято решение о создании комплексной системы мониторинга (наблюдений) за качеством атмосферного воздуха, воды и почвы с целью оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды под влиянием антропогенных факторов.

Под мониторингом окружающей природной среды понимают долгосрочные наблюдения за состоянием окружающей природной среды, ее загрязнением и происходящими в ней явлениями, а также оценку и прогноз состояния природной среды и ее загрязнения.

В последние десятилетия общество все шире использует в своей деятельности сведения о состоянии природной среды. Эта информация нужна в повседневной жизни людей, при ведении хозяйства, в строительстве, при чрезвычайных ситуациях (для оповещения о надвигающихся опасных явлениях природы). Но изменения в состоянии окружающей среды происходят и под воздействием биосферных процессов, связанных с деятельностью человека. Необходимость в глобальном мониторинге человеческой деятельности непрерывно возрастает и потому, что за последние 10 лет в мире синтезировано более 4 млн. новых химических соединений, ежегодно производится около 30 тыс. видов химических веществ в количестве более 1 т в год каждое.

 
 

Экологический мониторинг можно рассматривать как информационную систему наблюдений, оценки и прогноза изменений в состоянии окружающей среды, созданную с целью выделения антропогенной составляющей этих изменений на фоне природных процессов (рис. 15.1).

 

Система экологического мониторинга должна накапливать, систематизировать и анализировать информацию, позволяющую определить:

• состояние окружающей среды;

• причины наблюдаемых и вероятных изменений состояния (источники и факторы воздействия);

• допустимость изменений и нагрузок на среду в целом;

• существующие резервы биосферы.

Таким образом, система экологического мониторинга включает три основных направления деятельности:

• наблюдения за факторами воздействия и состоянием среды и оценку фактического состояния среды;

• прогноз состояния окружающей природной среды и оценку прогнозируемого состояния;

• выявление факторов и источников антропогенного воздействия (рис. 15.1).

Полученная информация используется для исключения или уменьшения вероятности возникновения неблагоприятных экологических ситуаций, охраны природных и созданных человеком объектов, сохранения среды, здоровья и благополучия людей. Конечная цель мониторинга - оптимизация отношений человека с природой, экологическая ориентация хозяйственной деятельности.

Различают несколько видов мониторинга. По территориальному признаку выделяют локальный, региональный и глобальный (биосферный) мониторинги, по используемым методам – космический, авиационный, стационарный и пр. Могут быть выделены и другие виды мониторинга: геофизический, климатический, биологический, мониторинг здоровья населения и т. д.

Локальный (импактный) мониторинг обычно относится к отдельным объектам природной среды, которые чаще всего подвержены интенсивным антропогенным нагрузкам (например, участки рек вблизи населенных пунктов, участки леса в районах систематических техногенных осадков и т. д.), либо к крупным источникам загрязнения (промышленные предприятия). Например, на реках пункты локального экологического мониторинга, осуществляющие систематический отбор и анализ проб воды, располагаются выше источника загрязнения (фоновый створ) и ниже по течению на разных расстояниях от него (контрольные створы). Задачей локального мониторинга является контроль фактического загрязнения (выбросов) с целью информирования соответствующих органов, а также определение параметров моделей «поле выбросов - поле концентраций».

Региональный мониторинг охватывает значительные по площади районы, которые, как правило, отличаются от соседних по природным условиям (например, природные зоны, ландшафтные комплексы, рекреационные территории вокруг городов и т. п.). На этом уровне основной задачей мониторинга является оценка изменений качества природной среды в региональном масштабе (область, край).

Глобальный мониторинг ставит целью получение информации о биосфере в целом или об отдельных биосферных процессах в глобальном масштабе (изменение климата, наблюдения за озоновым слоем, дальние атмосферные переносы загрязняющих веществ и т. п.).

 

Проблемы, которые решаются с помощью системы экологического мониторинга, особенно сложны на глобальном уровне. Локальный и региональный мониторинг, как правило, является внутригосударственной задачей, тогда как глобальный мониторинг - задача мирового сообщества. Этот вид мониторинга обусловливает необходимость международной кооперации и четкой координации деятельности всех государств.

Глобальная система мониторинга окружающей среды (ГСМОС).Существующая сеть наблюдений за источниками воздействия и за состоянием биосферы охватывает уже весь земной шар. ГСМОС была создана совместными усилиями мирового сообщества (основные положения, определяющие функционирование системы, были сформулированы в 1974г. на первом межправительственном совещании по мониторингу). Наиболее важной задачей была признана организация мониторинга загрязнения окружающей природной среды и вызывающих его факторов воздействия.

 
 

Программы наблюдений формируются на основе выбора приоритетных (подлежащих первоочередному определению) загрязняющих веществ и интегральных характеристик группы явлений, процессов или веществ. Классы приоритетности загрязняющих веществ, установленные экспертным путем и принятые в системе

 

Определение приоритетов при организации систем мониторинга зависит от цели и задач конкретных программ. Так, в региональном масштабе приоритетными целями государственных систем мониторинга являются в первую очередь атмосферный воздух и вода пресных водоемов, крупные населенные пункты, источники питьевой воды, места нерестилищ рыб и др. Как говорилось в разделе 13, осуществлять мониторинг содержания и распространения всех химических веществ, попадающих в окружающую среду в результате человеческой деятельности, невозможно. Поэтому контролируют содержание только наиболее опасных соединении, определяемых по таким критериям, как высокая токсичность для человека, большие объемы поступления в окружающую среду, вероятность трансформации этих веществ в более токсичные и т. д.

Основы ГСМОС были заложены разработками академика Ю. А. Израэля, продолжающего исследования в рассматриваемой области. Центральной в предложенной им концепции была идея слежения за антропогенными изменениями в окружающей природной среде. Хорошо известно, что естественные, природные изменения климата, погоды, сезонные и межгодовые изменения видового разнообразия и биомассы растений и животных происходят сравнительно медленно, за большие отрезки времени. Их регистрируют различные геофизические, метеорологические, гидрологические, сейсмические и другие службы, а также станции фонового глобального мониторинга в биосферных заповедниках. Антропогенные изменения происходят гораздо быстрее и их последствия весьма опасны, так как они могут стать необратимыми. Для их обнаружения необходимо иметь информацию о первоначальном состоянии объекта окружающей среды, т. е. о его состоянии до начала антропогенного воздействия.

В России основными направлениями глобального мониторинга, согласно ГСМОС, считаются следующие:

• изучение эффектов, связанных с распространением загрязняющих веществ на большие расстояния;

• глобальные изменения содержания диоксида серы (SO2), озона (О3), диоксида азота (NO2) и углекислого газа (СО2) в нижней атмосфере вследствие антропогенной эмиссии этих веществ;

• изменения глобального климата вследствие антропогенной эмиссии парниковых газов;

• усиление приземного потока ультрафиолетовой радиации, вызванное истончением стратосферного озонового слоя вследствие антропогенной эмиссии газов, разрушающих озон.

В 1993г. в России было принято решение о создании Единой государственной системы экологического мониторинга (ЕГСЭМ) объединяющей возможности многочисленных служб и ведомств, для решения задач комплексного наблюдения, оценки и прогноза состояния среды в Российской Федерации. В настоящее время работы по созданию ЕГСЭМ находятся на стадии начальных региональных проектов.

Организационную основу Государственной службы наблюдения за состоянием окружающей природной среды составляют Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет) и ее подразделения на местах. На территории СССР в 1970-е годы на базе станций Гидрометеослужбы была организована Общегосударственная служба наблюдений и контроля состояния окружающей среды (ОГСНК), построенная по иерархическому принципу (рис. 15.2).

 

 


Задача службы - обеспечение наблюдений за загрязнением природной среды и предоставление государственным органам и заинтересованным организациям систематической информации и прогнозов, а также экстренной информации о резких изменениях загрязнения природной среды. Все работы проводятся согласно нормативно-методическим документам, устанавливающим соответствующие требования.

Система наблюдений состоит из следующих подсистем наблюдений, объектами которых является загрязнение:

• воздух в городах и промышленных районах;

• почва;

• пресные и морские воды;

• трансграничный перенос веществ, загрязняющих атмосферу;

• природная среда.

Кроме того, ведутся комплексные наблюдения за состоянием растительности, химическим и радионуклидным составом, кислотностью атмосферных осадков и загрязнением снежного покрова.

Для планирования и осуществления природоохранных мероприятий необходимо контролировать общее состояние окружающей среды, чтобы точно знать, когда и где необходимо принять меры и какие именно. Контроль состояния окружающей среды осуществляется по физико-химическим и биологическим показателям, характеризующим содержание в среде загрязняющих веществ и изменения в биоценозах под влиянием загрязнения. Вследствие огромного количества химических загрязняющих веществ и невозможности постоянного определения содержания каждого из них, наиболее эффективным считается контроль интегрального воздействия химического загрязнения окружающей среды, в первую очередь по биологическим показателям, которые отражают реакцию экосистемы на антропогенные воздействия.

Как известно, специфические факторы часто довольно строго определяют, какие организмы могут жить в данном месте (в данных условиях), и по совокупности видов можно судить о типе физической среды. При этом используется информация как о численности одного, наиболее характерного вида, так и о численном соотношении разных видов, популяций и целых сообществ. Таким образом, учитываются важнейшие интегральные структурные и функциональные характеристики состояния экосистемы: показатели видового разнообразия; обычные индикаторные виды; средний размер организмов (при загрязнении мелкие организмы обычно преобладают над крупными); уровень первичной продукции; отношение продукции к дыханию; отношение первичной продукции к микробной деструкции.

Биологические показатели широко используются для контроля загрязнения водных объектов (пресных водоемов и морских прибрежных районов). В частности, для оценки экологического состояния водного объекта наиболее полную информацию дают результаты гидробиологических наблюдений. Этот метод (биоиндикация) основан на оценке большого набора показателей, охватывающих основные трофические уровни водной экосистемы: фитопланктон, зоопланктон, бентос, скорость продукции и деструкции органического вещества и др. Интегральными показателями, характеризующими общий уровень загрязнения вод всем комплексом токсичных веществ и, следовательно, степень опасности водной среды для гидробионтов, являются биотестовые (токсикологические) показатели. Для их определения используются традиционные токсикологические методы, основанные на определении реакции отдельных тестовых видов (например, рачка Daphnia) на действие токсикантов в лабораторных условиях.

При определении качества вод часто используется метод микробной индикации - оценка количественных и качественных характеристик состояния экосистем по преимущественному развитию тех или иных популяций микроорганизмов. Широкое распространение получил метод быстрой оценки санитарного качества окружающей среды, включая почву, пресные и морские воды, с использованием в качестве индикаторного объекта кишечной палочки Escherichia coli. Коли-титр и коли-индекс - классические показатели оценки качества питьевой и морской воды.

Микробная индикация предусматривает оценку количественных и качественных характеристик состояния экосистем по преимущественному развитию тех или иных популяций микроорганизмов. Основу микробной индикации загрязнения среды составляет быстрая адаптация микроорганизмов к новым химическим условиям, возникающим в результате антропогенного воздействия.

Индикаторные микроорганизмы высокочувствительны, обладают ярко выраженными адаптационными возможностями и многообразными физиологическими свойствами и отражают малейшие изменения природного фона (например, при наличии определенных загрязняющих веществ). Для установления степени загрязненности исследуемой экосистемы учитывают численность индикаторных микроорганизмов и их долю в общем содержании всех жизнеспособных микроорганизмов в этом районе. Так, после аварийного разлива нефти резко увеличивается численность углеводород-окисляющих бактерий (на 3-5 порядков). Если в чистых экосистемах они составляют обычно менее 0,1 % от общего микробного населения, то в экосистемах океана, загрязненных нефтью, их доля может составить 100 %.

Гетеротрофные индикаторные бактерии объединяют в группы в зависимости от используемого субстрата (например, гексадеканокисляющие, бензопирентрансформирующие, ксилолтрансформирующие, полихлорбифенилтрансформирующие). Определение индикаторных групп бактерий положено в основу микробной индикации распространения тех или иных загрязняющих веществ.

Контрольные вопросы и задания

1. Что входит в понятие экологического мониторинга?

2. Назовите основные направления деятельности системы мониторинга.

3. Перечислите существующие виды мониторинга.

4. В чем суть биологической индикации загрязнения природной среды?

 

 


ГЛОБАЛЬНЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ

Суть современного экологического кризиса составляет противоречие между почти безграничными возможностями человеческой деятельности, преобразующей… Глобальный характер современного экологического кризиса отличает его от… На протяжении последних двух-трех веков технические возможности человека изменять природную среду стремительно…

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ГОРОДОВ

Комплекс экологических проблем присущ любой территории, где сконцентрированы промышленные предприятия и население. В наибольшей степени он… • Масштаб города - его площадь, состав и численность городского населения.… • Природные условия территории - особенности климата, в частности, среднегодовая температура, циркуляционные процессы…

Контрольные вопросы и задания

1. Перечислите факторы, обусловливающие состав и остроту экологических проблем в городской среде.

2. Что такое «расползание городов»? Каковы негативные последствия этого процесса для окружающей среды?

3. Укажите основные причины напряженной санитарно-гигиенической и эпидемиологической обстановки в городах.

4. Назовите главный фактор обострения экологической ситуации в мегаполисах.

5. В чем проявляется ухудшение здоровья населения под воздействием неблагоприятной окружающей среды в крупных промышленных городах?

 


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В эпоху ускоренного развития научно-технического прогресса особого внимания требует защита окружающей среды, обеспечение ответственности человека за… Продолжающееся использование устаревших технологий в промышленности России,… В большинстве стран мира ужесточается природоохранное законодательство. В ближайшем будущем это приведет к росту доли…

СЛОВАРЬ ОСНОВНЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ТЕРМИНОВ

 

Абиотическая среда- неживое физическое и химическое окружение живых организмов.

Абиотические факторы среды- компоненты и явления неживой, неорганической природы, прямо или косвенно воздействующие на живые организмы (климатические, почвенные и гидрографические факторы).

Автотрофы- организмы, синтезирующие из неорганических соединений органическое вещество с использованием энергии солнца или энергии, освобождающейся при химических реакциях.

Агроэкосистема- искусственная экосистема, основные функции которой поддерживаются агрономическими мероприятиями: вспашкой, селекцией, внесением удобрений и ядохимикатов. От природных экосистем этот тип экосистем отличается небольшим разнообразием видов, доминированием культурных растений или домашних животных.

Азотфиксаторы- микроорганизмы, способные фиксировать атмосферный азот, недоступный для других организмов.

Аккумуляция загрязнений- накопление в живых организмах химических загрязняющих веществ в концентрациях, превосходящих таковые в окружающей среде.

Антропогенная нагрузка- совокупное воздействие всех видов человеческой деятельности на земельные ресурсы, водные и воздушные среды, растительный и животный мир, недра Земли.

Антропогенное воздействие на природу- прямое или косвенное воздействие человека и результатов его деятельности на природную среду, вызывающее изменение естественных ландшафтов и отдельных компонентов экосистем.

Антропогенное загрязнение- загрязнение биосферы в результате биологического существования и хозяйственной деятельности людей, в том числе их прямого или косвенного влияния на интенсивность природного загрязнения.

Антропогенные (антропотехногенные) факторы- условия среды обитания организмов, сформировавшиеся в результате хозяйственной деятельности человека (химическое загрязнение, разрушение природных комплексов и др.).

Бентос- совокупность организмов (животных и растений), обитающих на дне водоемов.

Биогенное вещество- геологические породы, созданные в результате жизнедеятельности живых существ (известняки, песчаники, железные руды, каменный уголь, нефть и пр.).

Биогеохимические циклы- циклические процессы обмена веществ между различными компонентами биосферы, обусловленные жизнедеятельностью организмов.

Биогеоценоз- эволюционно сложившаяся, пространственно ограниченная, длительно самоподдерживающаяся, однородная экологическая система, в которой функционально взаимосвязаны живые организмы и окружающая их абиотическая среда.

Биокосное вещество- комплексы тесно взаимодействующих элементов живого и косного вещества (например, почва).

Биологическая продуктивность- скорость образования органического вещества (биомассы) в экосистеме или ее частях на единице площади (объема) за единицу времени.

Биологическое самоочищение- способность биоценозов ликвидировать присутствие загрязняющих веществ в экосистеме в процессе жизнедеятельности организмов.

Биологическое сообщество- совокупность всех популяций, занимающих определенное, относительно ограниченное пространство.

Биом- наиболее крупные наземные экосистемы, соответствующие основным природно-климатическим зонам Земли и характеризующиеся определенным типом растительности и животного мира.

Биомасса- масса живого вещества организма, популяции или совокупности популяций видов на той или иной территории или акватории.

Биосфера- область существования и функционирования организмов на Земле, охватывающая нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу, поверхность суши и верхние слои литосферы.

Биота- исторически сложившаяся совокупность живых организмов в составе экосистемы.

Биотические факторы- условия жизнедеятельности организма, обусловленные прямым или косвенным (через изменение среды обитания) воздействием других организмов.

Биотический потенциал- максимальная, наследственно обусловленная скорость роста (r )популяции, представляющая собой разность между удельной рождаемостью (b) и удельной смертностью (d): r = b - d.

Биотоп (экотоп)- относительно однородное по основным абиотическим факторам пространство, занятое биоценозом.

Биоценоз- сообщество взаимосвязанных живых организмов в любой экосистеме, состоящее из автотрофных и гетеротрофных организмов, которые населяют один биотоп.

Вид- совокупность однородных организмов, связанных единством происхождения, образом жизни и местом обитания.

Видимое излучение- электромагнитное излучение, вызывающее зрительное ощущение и занимающее участок спектра от 380 до 780 нм.

Видовое разнообразие- многообразие (число) видов в биоценозе определенной экосистемы.

Вторичная биологическая продуктивность- биомасса, а также энергия и биогенные летучие вещества, производимые всеми консументами (гетеротрофами) на единице площади за единицу времени.

Гетеротипические реакции- совокупность взаимодействий между особями разных видов, обитающих в одном биоценозе.

Гетеротрофы- организмы, использующие для питания исключительно или преимущественно органические вещества, произведенные другими видами (автотрофами), и неспособные синтезировать вещества своего тела из неорганических веществ (животные, грибы, большинство бактерий).

Гидробионты- организмы, постоянно обитающие в водной среде.

Гидросфера- прерывистая водная оболочка Земли, представляющая собой совокупность океанов, морей, пресных континентальных вод (поверхностных и подземных) и ледяных покровов.

Гомеостаз- состояние внутреннего динамического равновесия экосистемы, поддерживаемое регулярным возобновлением основных ее структур и вещественного состава, а также постоянной функциональной саморегуляцией во всех ее звеньях.

Групповой эффект- тип биотического фактора, выражающийся в повышении жизнеспособности организмов одного вида при их объединении в группы.

Гумус- органическое вещество почвы, образующееся за счет разложения растительных и животных остатков и служащее показателем плодородия почвы.

Деградация экосистем- обратимые или необратимые изменения в структуре и функциях экосистем, вызванные внешними негативными воздействиями.

Детрит- мертвое органическое вещество в водной среде, представляющее собой мелкие частицы остатков организмов и их выделений, взвешенные в воде или осевшие на дно водоема.

Детритная пищевая цепь- тип пищевой цепи, начинающейся с гетеротрофных микроорганизмов и продолжающейся к плотоядным мелким и крупным хищникам (консументам).

Доминант- вид, количественно преобладающий в биологическом сообществе.

Дыхание- биохимический процесс окисления органических веществ в клетках живых организмов, сопровождающийся выделением энергии, используемой организмами для осуществления жизнедеятельности.

Емкость среды- способность природной среды обеспечивать нормальную жизнедеятельность определенному числу организмов и их сообществ без заметного нарушения самого окружения.

Живое вещество- вся совокупность биологической массы живых организмов на Земле.

Загрязнение природной среды- привнесение в среду или возникновение в ней новых (нехарактерных для нее) физических, химических или биологических агентов, или превышение естественного среднего многолетнего уровня концентрации тех же агентов в рассматриваемый период.

Загрязненность- степень насыщения окружающей среды различными загрязнителями.

Загрязнители- природные и антропогенные физические агенты, химические вещества или биологические виды, попадающие в окружающую среду или возникающие в ней в количествах, превышающих обычный для них уровень.

Закон минимума (Ю. Либиха)- закон, согласно которому при стационарном (стабильном) состоянии экологических факторов лимитирующим будет тот из них, значение которого наиболее близко к минимуму.

Климаксная экосистема- «финальная», относительно устойчивая фаза развития экосистемы, наиболее соответствующая экологическим характеристикам данной местности.

Консумент- организм, питающийся живым органическим веществом (животные, часть микроорганизмов, паразитические и насекомоядные растения).

Косное вещество- геологические образования, не созданные живыми организмами.

Лимитирующий фактор- фактор среды, выходящий за пределы выносливости организма и ограничивающий его нормальное функционирование.

Литосфера- внешняя сфера «твердой» Земли, включающая земную кору и верхнюю часть подстилающей ее верхней мантии.

Макроэлементы- важнейшие биогенные элементы, составляющие более 70 % всей биомассы и присутствующие в клетках всех видов организмов (кислород, углерод, водород, азот, кальций, калий, фосфор, магний, сера хлор, натрий).

Массовый эффект- тип биотического взаимодействия между особями одного вида, при котором чрезмерное увеличение плотности популяции приводит к снижению плодовитости, уменьшению скорости роста, сокращению продолжительности времени жизни животных.

Метаболизм- процессы обмена веществ в организме, включающие синтез и распад органических веществ.

Микроэлементы- химические элементы, содержащиеся в организмах в низких концентрациях (обычно тысячные доли процента и ниже), но играющие важную роль в определенных процессах жизнедеятельности (алюминий, железо, медь, цинк, марганец, никель, йод, селен, бром, фтор, бор и др.).

Минеральное питание- извлечение корнями растений из почвы питательных веществ посредством поглощения ионов из почвенного раствора.

Мониторинг окружающей природной среды- долгосрочные наблюдения за состоянием окружающей природной среды, ее загрязнением и происходящими в ней природными явлениями, а также оценка и прогноз состояния природной среды и ее загрязнения.

Ноосфера- высшая стадия развития биосферы (согласно учению В.И. Вернадского), связанная с возникновением и становлением в ней цивилизованного человечества, когда его разумная деятельность становится главным определяющим фактором целесообразного развития.

Норма загрязнения- максимальная концентрация веществ, поступающих или содержащихся в среде, допускаемая нормативными актами.

Органические вещества- сложные химические соединения, в состав которых входит углерод (белки, жиры, углеводы, ферменты, гормоны, витамины и продукты их превращений).

Осморегуляция- физико-химический процесс поддержания давления жидкости внутри тела.

Осмос- прохождение воды через мембрану из более концентрированного в менее концентрированный раствор в результате воздействия давления, превышающего разницу осмотических давлений обоих растворов.

Охрана природы- комплекс мер по сохранению, рациональному использованию и восстановлению природных ресурсов Земли, в том числе видового разнообразия флоры и фауны, богатства недр, чистоты вод и атмосферы.

Парниковый эффект- повышение температуры воздуха, обусловленное прозрачностью атмосферы для основной части излучения Солнца (в оптическом диапазоне) и поглощением атмосферой основной (инфракрасной) части теплового излучения поверхности планеты, нагретой Солнцем.

Патогенные микроорганизмы- микроорганизмы (бактерии и вирусы), эволюционно приспособившиеся к паразитированию в живом организме и способные вызывать инфекционные болезни.

Пестициды- химические соединения, используемые для защиты растений, сельскохозяйственных продуктов от организмов-вредителей.

Пионерный вид- вид, первым заселяющий безжизненные участки.

Пищевая сеть- все разнообразие пищевых взаимоотношений между организмами в биогеоценозе или в экосистеме.

Планктон- совокупность водных организмов (микроскопические водоросли, простейшие, некоторые ракообразные, медузы, моллюски, личинки и др.), пассивно обитающих в толще воды и неспособных активно сопротивляться переносу течениями.

Популяция- группа особей одного вида, населяющих конкретное пространство в течение длительного времени, свободно скрещивающихся друг с другом, имеющих общее происхождение, генетическую основу и в той или иной степени изолированных от других популяций данного вида.

Порог вредного действия- минимальная доза вещества, при воздействии которой в организме возникают изменения, выходящие за пределы физиологических и приспособительных реакций, или скрытая (временно компенсированная) патология.

Пороговая концентрация- содержание загрязнителя в среде обитания, вызывающее достоверные изменения в численности или жизнедеятельности тест-организмов.

Предел толерантности- см. пределы выносливости.

Пределы выносливости- диапазон значений фактора, за границами которого нормальная жизнедеятельность организмов становится невозможной.

Предельно допустимая концентрация (ПДК)- максимальная концентрация загрязняющего химического вещества в окружающей среде, которая при повседневном влиянии в течение длительного времени не вызывает негативных воздействий на организм человека или другого организма и его потомков.

Природные ресурсы- природные объекты и явления, потенциально пригодные для использования в качестве средств труда, источников энергии, сырья и материалов, предметов потребления.

Природные ресурсы возобновимые- часть природных ресурсов, находящаяся в пределах биосферного круговорота веществ и скорость восстановления которых сравнима со скоростью их

расходования.

Природные ресурсы невозобновимые- часть природных ресурсов, которая не восстанавливается в процессе биосферного круговорота веществ за время, соизмеримое с темпом хозяйственной деятельности человека.

Продуценты- организмы, производящие органические вещества из неорганических соединений с использованием энергии Солнца (автотрофы) или энергии, освобождающейся при химических реакциях (хемотрофы).

Редуценты- гетеротрофные организмы (бактерии, грибы, некоторые беспозвоночные), которые используют в процессе жизнедеятельности мертвые органические вещества, разрушая их до минеральных веществ.

Симбиоз- тип взаимоотношений организмов разных систематических групп, благоприятных для их роста и выживания.

Среда жизни- часть природной среды, которая окружает организмы и оказывает прямое или косвенное воздействие на их состояние, развитие, выживание и размножение.

Стенобионты- организмы, способные существовать лишь в строго определенных условиях окружающей среды и не переносящие их изменений.

Стратификация водоема- подразделение всей массы воды в водоемах на ряд слоев, отличающихся по температуре, солености и ряду других физико-химических факторов.

Сукцессия- последовательная смена экосистем, преемственно возникающих на определенном участке земной поверхности под влиянием процессов внутреннего развития биологических сообществ, их взаимодействия с окружающей средой.

Тератогенез- возникновение уродств в результате ненаследственных и наследственных изменений (мутаций).

Тест-организмы- специально выбранные организмы для проведения токсикологических экспериментов в лабораторных условиях.

Техносфера- часть географической оболочки Земли, находящаяся под влиянием технических устройств и средств, созданных современной цивилизацией, на которой расположены населенные пункты, фабрики, дороги, нефте- и газопроводы, системы связи, электростанции, ирригационные и дренажные сооружения, сельхозугодья и т. д.

Токсиканты- опасные для здоровья человека и существования других организмов ядовитые химические вещества, которые при попадании в окружающую среду могут прямо или косвенно ухудшить ее качество и снизить устойчивость экологической системы.

Токсичность- свойство химических соединений оказывать вредное или летальное действие на организмы.

Тяжелые металлы- металлы с плотностью, большей чем у железа (свинец, медь, цинк, никель, кадмий, кобальт, сурьма, олово, ртуть, висмут), обладающие высокой токсичностью и способностью накапливаться в организмах.

Ультрафиолетовое излучение- оптическое излучение с длинами волн в вакууме от 10 до 400 нм.

Урбанизация- процесс сосредоточения населения и экономической жизни в крупных городах.

Условия жизни- совокупность экологических факторов, влияющих на жизнь организмов.

Устойчивое развитие- стратегия развития цивилизации, при котором человечество способно только удовлетворять свои потребности, не разрушая потенциал, позволяющий будущим поколениям также удовлетворять свои потребности.

Устойчивость организмов и экосистем- способность оставаться относительно неизменными в течение определенного периода несмотря на внешние воздействия.

Фактор- условие, влияющее на совершающиеся процессы, или движущая сила этих процессов.

Фермент- биологический катализатор по химической природе - белок или рибонуклеиновая кислота. Ферменты обязательно присутствуют во всех клетках живого организма. Ускоряя биохимические реакции, ферменты направляют и регулируют обмен веществ.

Фитопланктон- совокупность микроскопических растений, являющихся основными продуцентами в водных экосистемах и обитающих в толще морских и пресных вод.

Фитоценоз- устойчивая естественная группировка видов растений в пределах одного биоценоза.

Хлорофилл- зеленый пигмент растений, обеспечивающий преобразование солнечной энергии в энергию химических связей органических веществ в процессе фотосинтеза.

Эврибионт- организм, способный существовать в разнообразных условиях внешней среды.

Эвтрофирование (эвтрофикация)- повышение биологической продуктивности водных объектов в результате накопления в воде биогенных элементов под действием антропогенных или природных факторов.

Эдификатор- 1) вид, играющий основную роль в образовании в экосистеме определенной среды для всего биоценоза; 2) вид растений, играющий ведущую роль в образовании структуры и функционировании фитоценоза, без которого тот не может существовать длительное время.

Экологическая зональность водоемов- смена условий существования организмов от поверхности в глубину водной толщи и от прибрежных зон к открытым частям водоема.

Экологический кризис- критическое (обратимое или необратимое) состояние окружающей среды, угрожающее существованию человека и природным экосистемам.

Экологический норматив- величина антропогенной нагрузки, рассчитанная на основании экологических нормативных актов (регламентов) и получившая правовой статус.

Экологический оптимум- диапазон значений экологического фактора, максимально благоприятный для жизнедеятельности организмов или экосистем.

Экологический пессимум- наименее благоприятные условия

для существования организмов.

Экологический риск- вероятность и масштаб неблагоприятных для экологических ресурсов последствий любых антропогенных изменений природных объектов.

Экологический фактор- любой элемент или свойство среды, способные оказывать прямое или косвенное влияние на живые организмы.

Экологическое нормирование- нормирование антропогенного воздействия на экосистему в пределах ее экологической емкости, не приводящего к нарушению механизмов саморегуляции.

Экология- наука о составе, структуре, свойствах, функциональных особенностях и эволюции систем надорганизменного уровня, популяционных экосистем и биосферы.

Экосистема- единый природный или природно-антропогенный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания, в котором живые и косные экологические компоненты соединены между собой причинно-следственными связями, обменом веществ и распределением потока энергии.

Экотоп- см. биотоп.

Ярус автотрофный- ярус экосистемы, включающий растения, куда проникает солнечный свет и где преобладают автотрофные процессы (фотосинтез).

Ярус гетеротрофный- нижний ярус экосистемы, куда не проникает солнечный свет (почва, глубокие слои водоемов) и где преобладают гетеротрофные процессы.

Ярусность сообщества- вертикальная расчлененность биоценозов по структурным и функциональным параметрам.


СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

Абдурахманов Г.М., Лопатин И.К., Исмаилов Ш.И. Основы зоологии и зоогеографии: Учебник. - М: Академия, 2001.

Воронков Н.А. Экология общая, социальная, прикладная: Учебник. -М.: Агар, 1999.

Горелов АЛ. Экология: Учеб. пособие. - М.: Центр, 2000.

Николайкин Н.И., Николайкина Н.Е., Мелехова О.П. Экология: Учеб. пособие. -М: МГУЭЭИ, 2000.

Одум Ю. Экология: Пер. с англ.: В 2 т. - М.: Мир, 1986.

Рамад Ф. Основы прикладной экологии. -Л.: Гидрометеоиздат, 1981.

Сытник К.М., Брайон А.В., Городецкий А.В. Биосфера. Экология. Охрана природы: Справ, пособие. - Киев: Наукова думка, 1987.

Федоров В.Д., Гилъманов Т.Г Экология. - М.: Изд-во МГУ, 1980.

Чернова Н.М., Былова A.M. Экология: Учеб. пособие. - 2-е изд., перераб. - М.: Просвещение, 1988.


СОДЕРЖАНИЕ

 

Предисловие ............................................................................................................3

Введение ..................................................................................................................5

1. Взаимоотношения человека и природы (исторический аспект).....................10

2. Экология как наука .............................................................................................23

3. Структура биосферы...........................................................................................33

4. Экологические факторы среды..........................................................................45

5. Абиотические факторы среды ..........................................................................54

6.Биотические факторы. Формы биологических отношений в сообществах…65

7. Антропотехногенные факторы ......................................................................... 75

8. Гидросфера как среда жизни..............................................................................102

9. Наземно-воздушная, почвенная и организменная среды жизни ...................117

10. Биогеохимические циклы................................................................................128

11. Экология популяций ........................................................................................141

12. Структура и функции экосистем.....................................................................154

13. Развитие и эволюция экосистем ....................................................................174

14. Нормирование качества окружающей среды ...............................................186

15. Мониторинг окружающей среды ..................................................................197

16. Глобальные экологические проблемы...........................................................205

17. Экологические проблемы городов ...............................................................219

Заключение.............................................................................................................225

Словарь основных экологических терминов .....................................................227

Список рекомендуемой литературы....................................................................237


Учебное издание

экология

Редактор И.М. Маслова Художник C.С. Водчиц

Корректоры: М.А. Василевская, Р.В. Царева

Компьютерная верстка А.Ю. Ураловой

Оригинал-макет подготовлен в Издательстве МГТУ им. Н.Э. Баумана

Санитарно-эпидемиологическое заключение № 77.99 02.953.Д.00568.09.04 от 13.09.2004 г.

Подписано в печать 22.06.2006. Формат 60x90/16. Бумага офсетная.

Печ. л. 15.

УЧ.-ИЗД. Л. 14,87. Тираж 1500 ЭКЗ. Заказ №3910

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5

Отпечатано с готовых диапозитивов в ГУН ППП «Типография «Наука»

121099, Москва, Шубинскии пер., 6

 


* Геккель Эрнст (1834-1919) - немецкий биолог-эволюционист, представитель естественнонаучного материализма, сторонник и пропагандист учения Ч. Дарвина.

* Гаузе Георгий Францевич (1910-1986) - советский биолог, эколог, микробиолог, академик АМН СССР; один из основоположников теоретической и экспериментальной экологии популяций, экспериментального изучения естественного отбора, учения об антибиотиках.

* Зиверт-единица измерения эквивалентной дозы ионизирующего излучения в системе СИ.

* Грэй – единица измерения поглощенной дозы ионизирующего излучения в системе СИ.

* Глобальный экологический фонд (Global Environmtntal Facility) -международная организация в рамках Программы развития ООН, осуществляющая финансирование природоохранных проектов в развивающихся странах и странах с переходной экономикой для решения глобальных экологических проблем, к числу которых относится: загрязнение атмосферы, океанов и морей, озер и рек, уменьшение биологического разнообразия живых организмов, изменение климата и истощение озонового слоя. В настоящее время в фонде участвуют 155 стран. Из них 24 относятся к экономически развитым, а остальные - к развивающимся и странам с развитой экономикой.

 

– Конец работы –

Используемые теги: Экология0.043

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

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:

Таърихи тараыыиёти экология. Наыша: Педмет ва вазифаьои фанни экология. Методьои тадыиыотии экология
Мафьум дар бораи муьити зист ва шароти маьал... Муьити асосии ьа т... Мафьум дар бораи муьити зист ва шароити...

Экология Пособие по изучению дисциплины «экология» для студентов
Федеральное государственное образовательное учреждение... Высшего профессионального образования... quot московский государственный технический университет гражданской авиации quot МГТУ ГА...

Экология пәнінің анықтамасы, мақсаттары, міндеттері және әдістері. Экология дамуының тарихы.
Экология п ніні аны тамасы ма саттары міндеттері ж не дістері Экология дамуыны тарихы... Экология б лімдері аутэкология демэкология эйдэкология... Литература Экология п ніні аны тамасы ма саттары міндеттері...

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ по дисциплине EUR 1106 - Экология и устойчивое развитие ООД 1 Учебно-методическое пособие по дисциплине Экология и устойчивое развитие / – Астана: Изд-во ЕНУ
Евразийский национальный университет им Л Н Гумилева... Кафедра Управления и инжиниринга в сфере охраны окружающей среды...

Интегрированный урок экология + физика + биология по теме "Экология жилища"
Оформление мультимедийная система гигрометрпсихрометрический коллекция пыли таблицы по исследованию шума влажности воздуха плакаты по... Вступительное слово учителя физики... Нам часто кажется что загрязнения окружающей среды подкарауливает нас лишь на улице и поэтому на экологию наших...

КУРСОВАЯ РАБОТА: Экология
федеральное государственное автономное образовательное учреждение... высшего профессионального образования... Северный Арктический федеральный университет имени М В Ломоносова Кафедра...

ЭКОЛОГИЯ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ... ЦЕНТРОСОЮЗА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ... РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ КООПЕРАЦИИ...

Экология
Федеральное государственное бюджетное образовательное... Учреждение высшего профессионального образования... Волгоградский государственный архитектурно строительный...

Раздел 1 Общая экология
Абиотические факторы наземной среды Закон толерантности Примеры... Абиотические факторы это все влияющие на организм элементы неживой природы... Закон толерантности определяет положение по которому любой избыток вещества или энергии оказывается загрязняющим...

Экология как наука. Структура современной экологии
Валеология одно из новых самостоятельных ответвлений экологии человека наука о качестве жизни и здоровье... Синтетическая эволюционная экология новая научная дисциплина включающая... История развития экологии как науки Краткий исторический путь развития экологии как...

0.045
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