КУРС ЛЕКЦИЙ ПО ЭКОЛОГИИ
Лекция 1 (4 часа). Общебиологические и системные представления
.
Введение. Предмет и задачи экологии.
1. Основные понятия и определения экологии.
2. Современные экологические проблемы.
3. Экологические аспекты существования человека в современных условиях.
Введение
Жизненную важность экологической проблемы никому из нас не нужно доказывать. Однако эта очевидная реальность и создает трудности преподавания и познания вами экологии.
В действительности вопрос очень сложный и требует формирования нового стереотипа в поведении человека, следовательно курс должен формироваться как общеобразовательный и фундаментальный.
По терминологии академика Вернадского на любом структурном уровне от организма до биосферы мы вынуждены рассматривать систему, т.е. совокупность взаимосвязанных элементов, погруженных в другую, более широкую метасистему, в которой первая играет роль элемента, поэтому понятие экосистемы является центральным понятием курса.
Необходимо запомнить основной тезис о единстве природы, т.к. единство и взаимосвязь объектов природы требует рассмотрения конкретных экологических вопросов на единой системно-биологической и эволюционной основе.
В рамках глобальной экологической проблемы определяется рациональное поведение человека в природе, т.е. адекватная экология человеческой популяции. Эта экология может быть создана только на основе человеческого разума. Следовательно, необходимо тотальное распространение среди людей всех уровней образования и интеллекта научно обоснованной экологической концепции.
В результате вам необходимо будет знать:
1. Цели и задачи, систему исходных понятий экологии.
2. Основные закономерности взаимодействия живых организмов и природной среды.
3. Принципы организации и функционирования экологических систем.
4. Закономерность функционирования биоценозов.
5. Место и роль человека в биосфере земли, закономерности возникновения и развития антропосферы.
6. Общие принципы рационального природопользования или природопотребления.
7. Методы системного анализа и контроля природной сферы.
8. Основные антропогенные факторы воздействия на природную среду.
9. Умение предвидеть, экологические последствия (культурно-хозяйственной) человеческой деятельности.
10. Знать способы блокирования неблагоприятных (разрушительных) антропогенных факторов.
11. Оценивать состояние природной среды в процессе проектирования и создания новой техники и технологии и использовать это в инженерной, проектно-конструкторской и производственной деятельности, исходя из принципов сохранения и возобнавления природных ресурсов.
Курс экологии структурно состоит из 5 разделов:
1. Общебиологические и системные представления;
2. Взаимоотношения организмов и популяций с окружающей средой - аутэкология
;
3. Закономерности, определяющие динамику популяции - демэкология
;
4. Синэкология содержит сведения по основным аспектам функционирования биотических сообществ (биоценозов).
5. Эволюционные проблемы экологии, в т.ч. перспективы развития биосферы и роль человека в этом развитии.
1.1 Основные понятия и определения экологии
Слово «экология» впервые употребил Эрнест Геккель в 1866 году, обозначив им биологическую науку, изучающую взаимоотношения организмов с окружающей средой. Сейчас это слово стало обыденным и привычным. Дословно с греческого экология – наука о месте обитания. Другое понимание экология это экономика природы.
По определению русского ученого А. Я. Данилевского экология – наука о структуре и функции экологических систем и о механизмах, обеспечиваюших их гомеостазис.
В традиционной классификации наук экология относится к биологическому циклу.
По представлению ученого эколога Юджина Одума место определено следующим образом:……….
Экология - системная наука. Она включает предметы пересекающих других биологических наук, но в одном аспекте, отражающем связи между средой и организмом, средой и популяцией, средой и сообществом популяций, физической средой и всеми живыми организмами (всей биотой).
Экологические системы, равно как и биогеоценозы, состоят из экологических компонентов, которые являются их основными материально-энергетическими составляющими.
К ним относятся: энергия (все лучевые, волновые и квантовые источники), газовый состав (атмосфера), вода (жидкая составляющая), почва как субстрат экосистем и биогеоценозов, автотрофы-продуценты, организмы (гетеротрофы-консументы и продуценты), а также информация
.
Центральным в экологии является понятие экосистемы
, введенное в 1935 году английским ученым З. Тенсли. Он считал, что в экосистему входит не только комплекс организмов, но и весь комплекс физических факторов, что называем биома – место обитания в широком смысле.
Для более полного представления можно предоставить следующие уровни живого в природ
Рисунок 1.3 –Системные уровни живого в природе.
Растения синтезируют органические соединения, используя энергию солнца и питательные вещества из почвы и воды. Эти соединения служат растениям строительным материалам для создания тканей и поддерживают свои функции. Для высвобождения запасенной химической энергии растения разлагают органические соединения на исходные неорганические компоненты – СО2
, Н2
О, нитраты, фосфаты и т.д. – завершающая круговорот питательных веществ.
Т.к. растения готовят себе «пищу» сами, то их называют автотрофами
(самопитающимися).
Животные извлекают необходимую им энергию из готовой пищи, поедая растения или других животных, поэтому их называют гетеротрофами (питающиеся другими). Разделение на авто- и гетеротрофов относительно, т.к. некоторые растения питаются животными (несекомыми).
Биота – множество всех организмов экосистемы – существует в форме сообщества, или совокупности всех популяций, занимающих данную территорию.
Крупная легко выделяемая единица сообщества, образованная под влиянием регионального климата с региональной биотой и субстратом – называемым биом
. Эта группа экосистем со сходным типом растительности, определяемым сходными климатическими условиями.
Главные биомы Земли:
тундра; тайга; листопадный и дождевой лес умеренной зоны; степь умеренной зоны; чаппараль
(это деревья и кустарники с жесткими вечнозелеными листьями, растущие в мягком умеренном климате, с влажной зимой и сухим летом); пустыня, тропический дождевой лес, тропический листопадный лес, тропический скрэб (кустарник), тропическая степь и саванна, горы (сложная зональность). И наконец, экосистема высшего уровня – это биосфера
. Она представляет собой совокупность всех биомов и более мелких экосистем, которые в конечном счете все взаимосвязанны и взаимозависимы за счет глобальных процессов типа круговорота Н2
О и циркуляции атмосферы.
Атмосфера Земли (от греч. атмос – пар, и сфера - шар) – это газовая оболочка, окружающая Землю. Масса атмосферы составляет (5,155,9)1015
т. Атмосфера обеспечивает возможность жизни на Земле и оказывает большое влияние на разные стороны жизни человечества.
Существенное влияние на атмосферные процессы особенно на тепловой режим стратосферы оказывает озон. Озон сосредоточен в стратосфере, где вызывает поглощение УФ солнечной радиации. Средняя толщина озона [О3
] составляет 2,3-5,2 мм. Распределение озонового слоя над Землей представлено на рисунке 1.4. , его толщина изменяется в течение года: минимальная осенью, максимальная весной.
Рисунок 1.4-Распределение озонового слоя над поверхностью Земли.
Существуют и другие классификационные подходы по Р. Дажо и Мончадскому;
I физические – климатические и неклиматические
II. Основана на особенностях реакций организмов на действие факторов и от степени совершенства их адаптаций.
I. климат (наклон (греч.) – многолетний режим погоды для данной местности)
Макроклимат – по региону;
Мезоклимат – по местности;
Микроклимат – на уровне организма.
Факторы глобального климата: лучевая энергия; температура, освещенность, относительная влажность, осадки.
Климат характеризуется климограммой (графической зависимости температура – осадки форма замкнутой ломанной линии, каждая точка представляет среднюю температуру и среднее количество осадков. Солнечный свет – это фотосинтез интенсивной солнечной радиации и доля поглощения ее в атмосфере неравномерно распределены по спектру.
УФ с длиной волны 0,3 мкм не проходит через озоновый слой, видимый спектр ослабляется равномерно, ИК – лучи ослабляются в зависимости от длины волны. Солнечный свет проходит в воздухе и в воде, поэтому фотосинтез идет и под водо, но морские растения существуют лишь в эвфонической зоне (где интенсивность фотосинтеза меньше интенсивности дыхания растений). Точка компенсации приблизительно на глубине 100 м, поэтому ниже 100 м растительность не развивается, но животные могут жить и глубже.
На суше солнечный свет поглощается или отражается листьями растений, когда его не хватает возникает конкуренция. Фотосинтез обусловлен тем, что синие и красные лучи позлащаются хлорофиллом. Это создают прохладу под листьями в лесу.
Солнечная радиация воздействует на живое в зависимости от спектра излучения. Поэтому УФ – обладает сильным бактерицидным действием.
Температура
. Разные виды приспособлены к разным температурным диапазонам. Влияние температуры на жизнедеятельности организмов характеризуется соотношением
, где
S=const,
- нуль развития (температура, ниже которой не развивается),
D – длительность развития,
- эффективной температурой.
Морфологическая адаптация видов к температуре характеризуется следующими правилами:
Бергмана – крупные животные в наиболее холодных климатических условий;
Аллена – в холодном климате у животных уменьшается поверхность ушей и хвоста, короче лапы и шея, призе
Влажность
– играет особую роль, т.к. в протоплазме актив. животных от 70 - 90 % Н2
О, медуза – 98%, личинки жуков 50 %. По влажности животные делятся на
- гидрофильные (пост. в воде);
- рофильные (в сырых местах);
- мезофильные (переносят колебания влажности 50-100%);
- ксерофильные (живущие в сухих местах с дефицитом Н2
О в воздухе и почве).
Влажность регулирует процессы роста и старения организмов.
Абиотические факторы в водной среде
.
Вода – прозрачность, плотность от температуры, поверхностному натяжению, рН. В воде растворены газы – кислород, приблизительно 35 % от всех раст. газов;
СО2
– в 35 раз более растворим; минеральные соли пресн. До 0,5 г/кг, морских до 35 г/кг. Это Са (64%), Mg (17%), Na (16%), K (3%).
Абиотические факторы в почве
.
Почва сложный абиотический объект.
Почвенная вода – гигроскопическая пленка в порах диаметром < 0,2 мкм капиллярная абсор. в порах диаметром (0,2-0,8мкм). Способность удерживать влагу, называемым потенциалом (pF).
Структура почвы.
Гравий более 2 мм
Крупнозернистые пески менее (0,2-2) мм
Мелкозернистые от (20-200) мкм
Суглинки (2-20) мкм
Минеральные коллоиды менее 2 мкм.
Почвы также делятся на мелкозернистые и колжоватые. Na < 50%.
Солончаковые pH < 8, солонцы (щелочные) pH до 9 большинство видов живет в диапазоне от 5 до 8.
Факторы питания
.
Пища – это источник энергии и строительных материалов. Пища – состав органические вещества целлюлозы, жиры, белки, сахара, крахмал. Они сгорают на воздухе.
Ф – синтез – С6
Н12
О6
– глюкозу – моль с высокой потенциальной энергией. Растения запасают глюкозу превращая ее затем в крахмал (полисахарид) и жиры. Сьединая пища (крахмал и др. углеводы и сахара) перевариваются →глюкозу→клеточное дыхание (оно противоположено фотосинтезу). С6
Н12
О6
+ 6О6
→6СО6
+ Эмер.
Пища источник биогенов, строительные элементы живого. Содержит аминокислоты для строительства белков. Макроэлементы (Са, К, Nа, Р) микроэлементы Si, Gr, Мо, Тi и др.
Витамины жиро– и водоростворимые.
Витамины + белки = ферменты (биокатолезаторы)
Известно 30 витаминов, изучено – 20
Пища должна быть сбалансированная и калорийная, а также иметь определенную биохимию в обработке. (Баланс жиров; белков; углеводов). Это определяет ее качество. Сбалансированность в биохимии это допустимое сочетание одних и нежелательность других сочетаний элементов пищи.
Кислорд – необходим для дыхания в атм. 21% по массе, но он плохо растворим в Н2
О. Организмы в основном состоят из воды и поэтому сложна доставка О2
к органам и клеткам. Для мелких водных организмов и наземных растений осуществляется диффузия через клетки (до 1 мм). В крупных организмах существуют циркуляционные системы для перекачки жидкости из поверхностных тканей в глубоки. У червей, членистоногих и моллюсков система не содержит каппиляров, у позвоночных замкнутая. У крупных животных в крови есть белки увеличивающие кислородную емкость при контакте – гемоглобин (в 50 раз больше О2
), чем в плазме, однако белки увеличивают вязкость крови для снижения эритроциты. Существуют синтетические соединения снижающие вязкость крови и повышающие ее текучесть, например аспирин.
Биотические фактора: взаимоотношение особи и популяции. Популяция – минимальная самовоспроизводящаяся группа особи одного вида, населяющая определенная пространство на протяжении эволюционной длительности времени.
Характеризуются двумя разновидностями группы, признаки.
Групп. структур. характеристик относ. плотность, рождаемость, смертность, распред. орган. по возрастам, биотич. потенц., тип роста.
Генетические характеристики объединяют способность к адаптацию и приспособленность и устойчивость.
Особь в популяции подчинена последней и обладает лишь относительной независимостью инд. жизни.
Отношение популяции – особь реализуется не на индивидуальной, а на статической основе. Это означает, что увеличение потомства у данной особе случайность. Это же в полной мере относится к виду НоmoSapiens.
В интересах выживания человеческой популяции, многие известные факты. Способность к обучению языка у человека теряется навсегда при попадании новорожденного в среду др. животных (Маугли).
При эпидемиях гибнут в первую очередь люди с ослабленным здоровьем др. качества при этом не играют не какой роли.
Существует так называемая кибернетическая гипотеза Геодакяна о роли полов в эволюции.
Женская часть популяции – хранитель генофонда, а мужская – обеспечивать приспособление к измен. условиям существования, то ясно, почему в указанных экстремальных условиях гибнут в первую очередь гибнут мужские особи, а затем с временным сдвигом женская половина.
Гомотические реакции – между особями одного вида;
Геторотипические реакции – межвидовые.
К I виду реакций относятся:
– групповой эффект (обьед. в группы более 2 – х)
– массовый эффект при повышен. плотн. > оптим. снижается плодовитость самок (самоограничение вида)
– внутривидовая конкуренция (конкуренция из – за пищи, воды и света)
– территор. поведение – препят. скрещивание близкородственных особей.
– социальная иерархия в стаде оптимизир. Затраты энергии организма и степени защищенности.
Ко 2 виду реакций:
– нейтрализм
– отсут. взаимного влияния видов;
– конкурен.-влияет на географ. распространен. Организмов;
– сотрудничество-виды образуют сообщества (гнездование птиц против налетов хищников).
– комменсамум-один из видов в сообществе, а другой нет.
– паразитизм-один вид (пар.) тормозит рост и развитие другого и может погубить хозяина.
– Хищничество-один поед. др.-жертву
Виды не являются пассивными объектами воздействия факторов внешн. Среды и они приспосабливаются сами при этом учитыв. Влияние тех или иных факторов.
Влияние на биоту различных факторов неодинаково (одни не заменимы и независимы)
На рис показана зависимость биологич. актив. от град. усл. среды.
Уровни активности, необходимые для:
1)поддержания жизнен. важных био. функц.;
2)уровни сущест. особи;
3) уровни сущест. популяции.
Это опред. з.Либиха и наз. концепцией лимитир. фактора.(нем. уч. 1803-1873 г. проф. Мюнхен. универ. агрохимик)
К.Либиха обуслов. 2 принципами
1-ограничительным экосистема находиться в стац. состоянии, когда приток энергии и в.ва балансир. оттоком;
2-взаимодействие факторов-выысокая конц. или доступность др. фактороа может изменять потреб. мининим. питат. Вещества.
I. Экосистема озера милит фактора СО2
(свет, N2
, Р – const) то в случае бури (урана) доп количество СО2
раствор то скор образов продуктов увеличивается и начнет завесить от света, N2
, Р факторов.
В развитии закона Либиха извест. Эколог ХХ века Шелфорд предложил зак. Толерантности.
Миллитирующии влияния наряду с мин. оказ тах фактора следовательно, формы характеризующиеся пределами толерантности.
Конкрет. Проявления з. толерантности
Диапазон (m) может быть широким в отношении одного фактора и узким в отношении др.
Организмы с широким диапозонам (m) ко всем факторам наиболее широко распростр.
Если условия по одному фактору не оптимально для вида, то сможет сузиться диапазон телерантности к др. факторам
В природе организмы часто оказываются в условиях не оптимальных к тем или иным факторам. Тогда более важен др. или др. (орхидеи раст в тени и влаге, но могут актив. Рост на свету и низких температурах)
Период размножения является критич в этот период мн. Факторы становится миллитирующии (взрослые крабы хорошо переносят пресную воду и заходят далеко в реки, но личинки не могут жить в пресной воде, поэтому размножаются только в среде обитания) и наоборот лососи
Существует еще понятие «экологическая ниши» – это совокупность связей организма с биотическим и абиотическим функциями среды его обитания экологическая ниша включает не только физические пространство, но и функциональную роль организма в сообществе.
Экологическая валентность – это способность заселять различную среду, характеризуется большими или меньшими изменения экологических факторов
1.2 Современные экологические проблемы
Хозяйственная деятельность человека отрицательно влияет на озоновый слой атмосферы Земли:
1.Самое большое влияние оказывают запуски ракетно-космических объектов.
2.Испарение галогенсодержащих соединений фреонов (хладонов) Ф-11 (CFCl2
), Ф-12 (CF2
Cl2
), Ф-22 (CНClF2
) используемых в холодильных технологиях и в аэрозолях разрушает озоновый слой.
Большинство стран мира значительно сократило выпуск этих химических соединений и был подписан Киотский протокол к рамочной конвенции ООН 11.12.97. Наиболее дисциплинированные государства – это Япония, Россия, Франция, Испания, Англия, страны Скандинавии – отказываются от многих пунктов этого соглашения США, Китай и Индия и некоторые страны Ю. Америки. К этому добавлю, что средняя жизнь фреона (естественный его распад) составляет 70-100 и более лет.
Антропогенные воздействия на экологические компоненты экосистем и биогеоценозов проявляются и через другие химические соединения и вредные вещества, например, СО2
. Вода является важнейшей составляющей живого вещества, без которой невозможна жизнь на нашей планете. Общее количество Н2
О оценивается (1,5-2,5) 102
или 1,5-2,5 млрд км3
.
Воды в природе Земли содержат растворенные соли, газы и органические вещества. При концентрации солей до 1 г/кг вода считается пресной, до 25 г/кг – солоноватой, и более 25 г/кг – соленой. Наименее минерализованными водами являются атмосферные осадки (10-20 мг/кг), затем пресные озера и реки (5-1000 мг/кг). Соленость мирового океана колеблется 35 г/кг. Моря имеют меньшую соленость, например, Черное море – 17-22 г/кг; Балтийское – 8-16г/кг; Каспийское – 11-13 г/кг.
В воде, потребляемой человеком, растворены важнейшие для жизнедеятельности организма органические и неорганические вещества. Вода способствует электролитической диссоциации содержащихся в них солей, кислот и щелочей, выполняет роль катализатора разнообразных процессов обмена веществ в организме.
Природный состав воды в последние 10 лет стал объектом очень тщательного внимания человека как потенциальная причина массовых заболеваний неинфекционной природы. Содержание в воде Cl, Сульфатов и продуктов разложения органических веществ (аммиак, нитраты, нитриты), а та
Недостаток йода (I2
) влечет активный рост клеток щитовидной железы и нарушение гормонального обмена в организме, в том числе и с тяжелыми последствиями.
Se – Селен – его недостаток в питьевой воде различных районах Финляндии, Новой Зеландии, Китая, Хабаровский и Алтайский края, Карелия, Псковская, Новгородская и Читинская области РФ некоторые области стран Балтии приводит к повышенному риску заболевания раком прямой и толстой кишки, груди женщин, печени, поджелудочной железы и др. Избыток селена в питьевой воде приводит к селеновым интоксикациям (это работа с производством полупроводником) – это сильный яд стоящий рядом с мышьяком.
В таблице 1.1 приведены безвредные для человека концентрации некоторых химических веществ и ингредиентов в питьевой воде.
Таблица 1.1 - Безвредные для человека концентрации некоторых химических веществ и ингредиентов
| Наименование | Содержание в воде, мг/л не более
|
| Свинец | 0,7 |
| Мышьяк | 0,05 |
| Фтор | 0,7-1,5 |
| Бериллий | 0,0002 |
| Молибден | 0,5 |
| Нитраты | 10,0 |
| Полиакриламид | 2,0 |
| Стронций | 2,0 |
Очень большая проблема нависла над человечеством – стремительный рост потребления воды на индустрию производства и сельское хозяйство, борьба с истощением и загрязнением водных ресурсов планеты. Пример, затопление и смыв источников водоснабжения (8 в Ставропольском крае и 7 в Краснодарском крае) в поймах рек Кубани, Лабы и Подкумка. Водоснабжение восстановлено только по временной схеме и, стоимость 1 бутылки воды доходила до 100 рублей.
Следующая проблема – это потеря плодоносных слоев, почвы. Минералогический состав твердой почвы во многом определяет ее плодородие. Органических частиц в почве содержится не много, только торфяники состоят почти полностью из них. В состав минерального остатка почвы входят: Si, Al, Fe, K, N, Mg, Ca, P, S и др. и незначительно содержится микроэлементов: Cu, Mo, B, F, Pb, I и др. Совокупность различных групп микроорганизмов, для которых средой обитания является почва, называют почвенными. Они играют важную роль в почвообразовании, формировании плодородия почв и в кругообороте веществ в природе. Почвенные микроорганизмы развиваются также в разлагающихся растительных остатках. Наряду с почвенными микроорганизмами в почву попадают и болезнетворные микроорганизмы (например, с трупами и продукты жизнедеятельности человека и животных, с фекальными сбросами, канализационными стоками и сбросами различных производств, но наиболее опасными в этом плане являются сбросы пищевых предприятий (мясных, молочных, маслоэкстрационных и др.). Но болезнетворные как правило очень быстро погибают в почве. Бывают случаи существования некоторых видов микроорганизмов сотни и тысячи лет (например, сибирская язва бациллы, столбняк, бутулизма, чумы, геморагической лихорадки, холеры и др.).
Обработка почвы, внесение удобрений, изменение водных режимов почвы также существенным образом влияют на число почвенных микроорганизмов. Почва «производит» микроэлементы, которые затем с соком растений доходят до их клеток. Следовательно, растения попадающие в пищу, отражают особенности микроэлементного состава данной почвы. Пример, отравления от избытка. Почва представляет собой верхний слой литосферы
, который образуется и развивается в результате совместного воздействия воздуха, воды, живых организмов и климатических факторов. В почве проходят процессы синтеза и биосинтеза, в результате почва становится плодородной или наоборот. На 1 га в (кг) содержится от 1000 до 7000 бактерий; микрогрибов от 100-1000; от 10,0-300,0 водорослей, членостоногих до 1000; дождевых червей от 350-1000; она соответственно оказывает решающее влияние на биосферу наряду с Мировым океаном.
За последние 100 лет на планете разрушено эрозией 20 млн. км2
, т.е. 28% от всех обработанных земель. Это по разным причинам, в первую очередь из-за интенсификации сельскохозяйственных работ. Пример, экологического почвенного кризиса это деградация экосистемы Аральского моря. Объем моря сократился на 60 %, площадь уменьшилась с 67 т км2
до 40 т км2
, в 3 раза выросла соленость воды и засоленность окружающей территории.
Окружающая среда – это вещество и пространство природы с ее явлениями и средой обитания непосредственно человека, состав ее определяется факторами неживой природы (климат, рельеф и др.) и живой природы, а также социально-экономическими функциями. Окружающая среда является частью географической среды. Загрязнение природной среды происходит как от естественных причин, так и в результате хозяйственной деятельности человека (т.е. природные и антропогенные).
Среди 7000 химических загрязняющих природную среду в результате промышленного производства имеются токсичные, мутагенные и канцерогенные вещества. Среди них наиболее опасные диоксид азота в водной среде, бензол в воздухе, пестициды в воде, нитраты в воде, диоксины в пищевых продуктах и в почве, полихлорированные дифенилы в пищевых продуктах и соляная кислота в почве.
Количество вредных веществ и соединений, получаемых человеком и являются побочными продуктами производств катострафически растет. В этот список (7000) попадают все новые и новые вещества.
Характерно и то, что отвалы (шлаки, порода, зола и др.) при добыче полезных ископаемых занимают на Земле территории в несколько млрд. га. Они отравляют воздух, воду, почву, продукты питания, растительный и животный мир. Пример - заброшенные шахтные разработки города Шахты, тонкая пленка нефтяных выбросов на водных поверхностях, испытания ядерных и других видов оружия.
1.3 Экологические проблемы существования человека в современных условиях
Вредные вещества из окружающей среды попадают в организм во время дыхания, при питании, через кожу. В организме эти вещества либо переносятся системой кровообращения к печени и нейтрализуются, либо выводятся из организма через соответствующие органы, либо на длительный период внедряются в организм, т.е. откладываются в жировые ткани, что также очень опасно. По цепям питания происходит и отравление человека ядохимикатами.
Экосистема представляет собой основную форму реализации взаимоотношений живого и неживого в природе. Эти отношения строятся на основе обмена веществом и энергией. Установление границы между живым и неживым, между биотическим и абиотическим важнейшая задача науки. В качестве подтверждения рассматривается экосистема как открытая термодинамическая система. В такой системе второй закон термодинамики проявляется в форме:
>0, где S – энтропия внутреннего (i) и (е) внешнего процессов; равенство имеет место при обратимости процессов, неравенство при необратимости – особенность проявления второго закона термодинамики в живых системах – самопроизвольное стремление к минимуму удельного теплопроизводства.
Однако, живые системы вряд ли можно отнести к линейным. Т.о. живой организм можно отвлеченно рассматривать как биохимическую фабрику.
Нужно также помнить об атрофическом (не пищевом) аспекте взаимоотношений живого и неживого. Неживое можно рассматривать как среду, определяющую условия жизни, в частности, убежище и температурные условия.
Происхождение живого.
Очевидно живое могло возникнуть только из неживого. Имеется несколько гипотез о механизме зарождения живого на Земле несколько: Опарина - Холдейна , Кардашева, создание живого всевышним. По гипотезе А.И.Опарина первичная атмосфера на Земле в основном состояла из водородных соединений (паров Н2
О, аммиака, H2
S, CH4
, CO2
) разряды в атмосфере привели к созданию (синтезу) аминокислот, что подтверждает эксперимент. Затем следовала их полимеризация и переход в белки и нуклеиновые кислоты (первичный питательный бульон ), из него выделялись целостные многомолекулярные системы, способные взаимодействовать между собой и адсорбировать из окружающей среды необходимые вещества. Из капель белковых соединений образовались первые живые существа.
Гипотеза Н.С. Кадашева отличается тем, что наиболее подходящие условия для зарождения жизни на Земле складывались в кратерах вулканов. Возникшая жизнь развивалась путем эволюции (лат. evolution - развертывание). Основное содержание эволюции – видообразование – генные мутации на видовом уровне и естественный отбор. Видообразование происходит тогда, когда поток геном прерывается каким-либо изолирующим веществом.
Эволюция не обязательно бывает длительной. Например, с началом промышленного производства и урбанизации изменилась окраска бабочек, воробьев в городах из-за большего количества копоти в городских условиях.
Лекция 2 (4 часа) Основы аутэкологии.
1.Экологические факторы и их классификация.
2.Климатические факторы.
3. Абиотические факторы в водной среде.
4. Абиотические факторы в почве.
5.Факторы питания.
6.Кислород. 7.Гомотопические реакции. Гетеротипические реакции. Законы минимума и толерантности. Экологическая ниша.
2.1Экологические факторы и их классификация.
Характеристика среды или популяции называется экологическим фактором. Факторы делятся на абиотические и биотические (зависящие и независящие от плотности).
Абиотические факторы – свет, теплота, температура, вода, ветер, соленость, огонь, pH. Важнейшие абиотические факторы среды определяют химическую природу и скорость оборота основных питательных веществ. Но еще это свет, температура, осадки; в Мировом океане – свет, температура, соленость.
Биогенные химические вещества обуславливают структуру живой ткани. В основе жизни на Земле лежит углерод и его соединения с H2
и СО2
точнее с радикалом –ОН также важнейшими химическими элементами на планете N2
, P, S, Si, для образования клеток такие элементы как Na, K, Ca.
Биотическими именуют факторы питание, движение, размножение для живых организмов и популяции.
Существуют и другие классификационные подходы:
Лекция 3(4 часа) Основы демэкологии.
3.1 Пространственная структура популяции
3.2 Агрегирование популяций.
3.3 Плотность популяций.
3.4 Динамика популяций.
3.5 Характер расселения особей.
3.1Пространственная структура популяций
Под пространственной структурой популяции понимают характер дисперсии или распределения организмов в пространстве.
Равномерное распределение имеет место там, где сильны конкуренция или антогонизм;
случайное– встречается редко (среда однородна и конкуренция и стремление к группировке отсутствует);
Групповое нерегулярное неслучайное распределение наиболее часто встречается в природе, однако распределение групп может оказаться близким к случайному.
3.2 Агрегирование популяций
.
Агрегация обусловлена факторами:
местными различиями условиям среды;
суточными и сезонными изменениями погоды;
процессом размножения;
социальным притяжением (у высших животных)
Агрегирование может усиливать конкуренцию, но она при этом способствует выживанию группы.
У особей в группе снижается смертность в группе в неблагоприятные периоды и при нападении других организмов т.к. в группе отношение поверхности контакта со средой к массе меньше. Группа способна изменять микроклимат и микросреду в своих интересах. Рыбы в группах выдерживают смертельную для особи дозу яда, пчелы в улье выживают при температуре ,губительной для особи.
Противоположность агрегированию – тенденция к изоляции (основные факторы, формирующие эту тенденцию, – конкуренция и прямой антагонизм).
Некоторые животные, например, птицы используют преимущества агрегации при перелетах к местам зимовки и преимущества изоляции в период размножения.
3.3 Плотность популяции
Плотность популяции – это ее размер по отношению к занимаемому пространству. Она выражается числом особей или биомассой на единицу площади или объема, например 300 деревьев на 1 га; 3 млрд. единиц планктона на 1 м3
воды океана и или 200 кг рыбы на 1 га поверхности пруда и т. д.
Различают среднюю и экологическую плотность. Экологическая плотность определяется по отношению к заселенному пространству.
На рисунке 3.6 приведен диапазон плотности популяций.
Рисунок 3.6 - Диапазон плотности популяций. Виды расположены в со по их трофическим уровням и в пределах уровней – в соответствии с размерами особей.
Плотность популяции ограничивается ресурсами двух типов: невозобновляющимися (пространство, места гнездования) и возобновление (пища, вода, свет)
Невозобновляющиеся ресурсы могут быть полностью использованы, что определяет верхнюю границу численности. Снабжения возобновляющимися ресурсами идет непрерывно и они не истощаются полностью, но поддерживаются на равном уровне благодаря балансу между их эксплуатацией и продукцией, производимой в экосистеме.
3. 4 Динамика популяции
Популяции изменчивы и их сохранение в экосистеме понимается как постоянство средних показателей. Изменчивость размера популяций характеризуется средней скоростью ΔN/Δt и специфической скоростью ΔN/NΔt.
Динамика популяции складывается из соотношения рождаемости и смертности.
Рождаемость характеризуется способность популяции к увеличению, основными показателями служат:
– максимальная (физиологическая, абсолютная) рождаемость, возможна теоретически в идеальных условиях;
– экологическая рождаемость – характерная для фактических условий среды.
Минимальная смертность представляет собой теоретическую постоянную, характерную для идеальных условий.
Экологическая смертность определяется для данных условий среды.
Аналогично вводят показатели продолжительности жизни. Maксимальная проолжительность жизни в оптимальных условиях равна физиологической продолжительности, которая превосходит или равна экологической продолжительности.
На практике больший интерес представляет не смертность, а выживание (N – M) в интервале времени с длительностью Δt.
Таблица структуры популяции по продолжительности жизни особей называется демографической.
3.5 Характер расселения особей.
Расселением называют перемещение взрослых особей или их зачатков(семян, спор, личинок и т. п.).Его основные разновидности:
– эмиграция (выселение с территории);
– иммиграция (вселение на занятую территорию);
– миграция (периодический уход и возвращения на территорию)
Расселение служит средством захвата новых или освободившихся территорий способствует потоку генов и видообразованию.
Слабые миграции мало влияют на популяцию, расселение существенно воздействует на неё, начиная с определенного количественного уровня.
Важным фактором расселения служит характер естественных преград, а также врожденная подвижность особей.
Лекция 4 (4 часа) Основы синэкологии.
4.1 Биотическое сообщество.
4.2 Характеристики функций и структуры биоценоза.
4.3 Классификация элементов биоценоза.
4.4 Развитие биоценоза.
4.1 Биотическое сообщество
По Ю. Одуму биотическое сообщество – это совокупность популяций, населяющих определенную территорию или биотоп, с определенной структурой пищевых связей и метаболизма, которые взаимозависимы и сохраняются благодаря постоянному размножению.
Биоценоз – это функциональная единица, обладающая свойствами не присущими слагающим ее компонентам – т.е. биоценоз представляет собой систему.
Сообщества обладают не только функциональным единством и характерной структурных трофических связей, но и композиционным единством, что обеспечивает сосуществование определенных видов. Виды могут замещать друг друга, поэтому функционально схожие сообщества могут иметь различный видовой состав.
Сообщества постоянно меняют свой внешний облик (лес весеннее – летнее - зимний периоды).
Влияние той или иной популяции в биоценозе простирается до отдаленных его частей через конкурентов, хищников и жертв. Например, насекомоядные птицы, поедая насекомых опылителей, влияют косвенно на количество плодов.
4.2 Характеристики функций и структуры биоценоза
Функции и структура сообщества обусловлены взаимодействиями двух типов: «особь – окружающая среда» и «популяция - популяция », соответственно выделяются основной характеристики: число видов, число трофических уровней, скорость создания первичной продукции, скорость потока энергии, скорость круговорота питательных веществ.
Обобщенная характеристика биоценоза – гомеостатический потенциал, который представляет собой меру устойчивости биоценоза. Хищник может
оказывать глубокое влияние на биоценоз через несколько трофических уровней . Например, за 60 лет развития биоценоза искусственного озера Гатун образовалось устойчивое сообщество с пищевой цепью фитопланктон – зоопланктон – рыба .Рыба ограничивала количество зоопланктона, поэтому в озере было много фитопланктона, и вода имела вид живого мутного супа. В озеро случайно внесли хищную рыбу туканаре. Образовалась новая цепь: фитопланктон– зоопланктон – рыба – туканаре. Следствием стало уменьшение рыбы, увеличение зоопланктона, уменьшение фитопланктона и посветление воды в озере.
4.3 Классификация элементов биоценоза
Основные биоценозы состоят из продуцентов, макросументов и микросументов.
Продуценты – это автотрофные организмы, главным образом зеленые растения.
Макросументы –фаготрофы –это гетеротрофные организмы,главным образом животные.
Сапротрофы - микросументы (разлагающие., гнилостные – это бактерии и грибы).Они разрушают сложные соединения мертвой протоплазмы и поглощают некоторые продукты разложения , высвобождают неорганические вещества, пригодные для использования продуцентами.
В природе условно делят биоту в экосистеме на биофаков и сапрофагов, т.е организмы, питающиеся соответственно живыми и мертвыми органическими веществами.
Продуцентом также противопоставляются редуценты – разлагатели.
Исследования показали, что животные играют не менее важную роль в процессе разложения, чем бактерии и грибы (от 4 до 10 часов бактерии и грибы от 24 часов до нескольких месяцев). Поэтому в природе существует три «функциональных царства природы» – продуценты, макро – и микроконсументы.
В качестве примера рассмотрим экосистему пастбища – клевер, мята, дуб, бук, граб, мясной и молочный скот, куры, гуси, утки, индейки, овцы, лошади.
Состав объекта или его паспорт:
Клевер 20га
Мята 1,5 га
Дуб 4 дерева
Бук 6 деревьев
Граб 1 дерево
Мясной скот 3 особи
Мол. скот 50 особей
Куры 10 особей
Гуси 55 особей
Утки 40 особей
Овцы 60 особей
Лошади 6 особей
Индейки 17 особей
Очевидно преобладает клевер и молочный скот, овцы.
Следовательно все организмы биотического сообщества играют одинаковую роль в определении его природы и функций; из сотен или тысяч видов только некоторые оказывают определенное воздействие на биоценоз – доминанты. Доминатов там меньше, где физические факторы экстремальны; леса на севере почти на 90-95% состоят из одного двух видов. В тропиках проявляется из тысячи видов несколько доминатов.
4.4 Развитие биоценоза
Сообщество как живой организм непрерывно изменяется: умирают старые и рождаются новые особи, варьируются потоки энергии и питательных веществ, внутри и на разных уровнях реализуется межвидовые взаимодействия.
Последовательность изменений
происходящих в нарушенном местообитании называют сукцессией. Он включает и появление новых видов в местах обитания.
Итогом сукцессии является климакс. Он представляет собой сообщество, находящееся в равном с физическим местообитанием. В этом случае в сообществе пространство пропорций уравновешивается потреблением.
Климатический климакс – это то теоретическое сообщество, к достижению которого направлено все развитие сукцессии в данном районе.
Оно реализуется там, где физические условия субстрата не столь экстремальны, чтобы изменить воздействие преобладающего климата.