Экология: человек и биоценоз

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, Н₂О, 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 Н₂О 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 % Н₂О, 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 Н₂О 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 – С₆Н₁₂О₆ – 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). С₆Н₁₂О₆ + 6О₆→6СО₆ + Э_мер.

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 Н₂О. 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 Ноmo Sapiens.

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 (CF₂Cl₂), 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 Н₂О 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 также солей азотной кислоты, широко применяемых в промышленности и сельском хозяйстве, ведет к их накоплению в пищевых продуктах с последующими тяжелыми отравлениями. В тех районах, где существует избыток или недостаток этих соединений, наблюдается изменение флоры и фауны. Так, недостаток фтора в питьевой воде приводит к поражению зубов и ослаблению костей скелета человека и животных. Фтор также влияет на фосфорно-кальцевый обмен и на процесс кальцификации костей.

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.