Силина Елена Константиновна Московский государственный технический университет путей сообщения, Российская открытая академия транспорта 2011 рабочая программа
| Вид материала | Рабочая программа |
- Санкт-петербургский государственный университет путей сообщения министерство путей, 581.81kb.
- Л и с т федеральное агентство железнодорожного транспорта гоу впо «Московский государственный, 619.66kb.
- Рабочая программа для студентов IV курса специальности, 89.5kb.
- Рабочая программа для студентов VI курса специальности, 166.32kb.
- Методология оценки стоимости объектов недвижимости железнодорожного транспорта, 649.6kb.
- Учебное пособие москва 2011 фгб оу впо «московский государственный университет путей, 1445.09kb.
- Министерство путей сообщения российской федерации московский государственный университет, 586.08kb.
- Московский Государственный Университет Путей Сообщения 1999 2004 гг. Специальность, 56.96kb.
- Ушаков Денис Сергеевич Ростовский государственный университет путей сообщения рабочая, 853.88kb.
- Ушаков Денис Сергеевич Ростовский государственный университет путей сообщения рабочая, 523.24kb.
Лекции по дисциплине
ЭКОЛОГИЯ
43. ОСНОВЫ УЧЕНИЯ О БИОСФЕРЕ
Ведь насколько нам пока известно, наша Земля - единственное место во всей
черной необъятности Вселенной, где существует жизнь. Мы в космосе одни,
И от нас зависит, чтобы жизнь эта продолжалась дальше.
Дэвид Эттенборо
о
43.1. БИОСФЕРА
Биосфера (от греч. bios - жизнь и sphfaira - шар, среда) - это оболочка Земли, в пределах которой существует жизнь. Она сосредоточена в трех геосферах: атмосфере, гидросфере и верхней части литосферы, которые взаимно связаны сложными биологическими циклами миграции вещества и энергии.
Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы (до границы озонового слоя с интенсивной концентрацией ультрафиолетовых лучей - 20 -25 км); всю гидросферу и верхнюю часть литосферы до 3-4 км (в основном почву), ограниченную высокой температурой земных недр (свыше 100 С). Крайних пределов ее достигают только низшие организмы бактерии.
Соответственно подразделение биосферы - аэробиосфера (населенная аэробионтами), гидробиосфера (с гидробионтами) и геобиосфера (ее населяют геобионты).
Понятие биосфера впервые введено в 1875 г. австрийским геологом Э. Зюссом. Огромный вклад в учение о биосфере внес крупнейший русский ученый В. И. Вернадский.
Земля как планета существует 4,6 млрд. лет. Признаки жизни на ней появились более 3 млрд. лет назад. Активное завоевание Земли живыми организмами продолжалось более 600 млн. лет. Развитие жизни на Земле привело к созданию биосферы.
Согласно В. И. Вернадскому в состав биосферы входят семь основных компонентов:
1) живое вещество - совокупность живых организмов;
2) биогенное вещество - создаваемое и перерабатываемое организмами, органоминеральные и органические продукты - каменный уголь, торф, сапрафель, почвенный гумус и т.д.;
3) биокосное вещество - результат совместной деятельности организмов и абиогенных процессов (вода, газы, образующие нижние слои атмосферы, осадочные породы, глинистые материалы, почва)
4) косное вещество - образовавшиеся без участия живых организмов (продукты тектонической деятельности и др.)
5) радиоактивное вещество;
6) рассеянные атомы;
7) вещество космического происхождения (метеориты, космическая пыль)
На протяжении многих геологических эпох происходило взаимодействие этих трех компонент, в котором главную роль играло и продолжает играть живое вещество.
Биосфера находится в состоянии устойчивого равновесия, получая энергию от Солнца, она переизлучают ее в космическое пространство. Под устойчивым равновесием надо понимать способность системы возвращаться в исходное состояние после отклонения из этого состояния. Для того чтобы биосфера обладала свойством стабильности недостаточно только процессов переноса энергии и круговорота веществ, необходимо иметь развитые информационные сети, включающие поток физических и химических сигналов (связывающие все части системы и управляющие ею как единым целым).
Информация - важнейший экологический компонент биосферы и экосистем. В экологическом аспекте информация - это энергетически слабое воздействие - закодированное сообщение организму о возможности более мощных влияний на него со стороны других организмов или факторов среды и вызывающие его ответную реакцию. Информация (как совокупность сведений, данных), -ключевой компонент гармонического развития человека на Земле рамках природопользования.
Биосфера это специфическим образом организованное единство живого и минеральных элементов. Взаимодействие между ними проявляется в потоках вещества, энергии и информации. Биосфера является самой крупной (глобальной) экосистемой Земли - областью системного образования живого и косного вещества на планете. По определению В. И. Вернадского "пределы биосферы обусловлены прежде всего полем существования жизни".
43.2 СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ БИОСФЕРЫ
Биосфера является иерархической структурой экосистем и геосистем. Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговорота химических элементов, который выражается в циркуляции веществ между атмосферой, почвой, гидросферой и живыми организмами, вызванная лучистой энергией Солнца и выражающая в процессах обмена веществ, росте и размножении организмов.
Биогенная миграция атомов подчиняется двум биогеохимическим принципам (В.И.Вернадский, 1940)
- стремится к максимальному проявлению;
- приводит к выживанию организмов, увеличивающих биогенную миграцию атомов биосферы.
Биогеохимические функции биосферы:
- газовая, включающая биогенную миграцию газов в результате фотосинтеза и азотфиксации;
- концентрационная, состоящая в аккумуляции живыми организмами химических элементов, рассеянных во внешней среде;
- окислительно-восстановительная, в частности, превращение веществ, содержащих атомы с переменной валентностью (железо, марганец и т.д.);
- биохимическая - процессы, протекающие в живых организмах.
Биогеохнмическне функции биосферы характеризуют ее как целостную систему. Посредством этих функций осуществляется круговорот органического вещества на Земле/
В процессе жизнедеятельности растений за счет солнечной энергии и вещества земной поверхности ежегодно образуется 180 млрд. т растительной биомассы (в сухом виде) о и около 300 млрд. т кислорода. При этом растения пропускают через себя и испаряют 30 тыс. км , то есть около 50% всей воды, испаряющейся с поверхности планеты. Весь кислород атмосферы пропускается через организмы за 2 тысячи лет, углекислый газ - за 250 лет, а вся вода морей и океанов разлагается и восстанавливается в биотическом круговороте за 2 млн. лет. За время эволюции углекислый газ, кислород и вода прошли через живое вещество планеты не одну тысячу раз.
Таким образом, биосфера представляет собой единство живых и минеральных элементов, вовлеченных в сферу жизни. Существенная составная часть этого единства - биотический круговорот, основанный на взаимодействии организмов, создающих и разрушающих органическое вещество. Благодаря биотическому круговороту возможно длительное существование и развитие жизни.
Биосфера сформирована в виде относительно самостоятельных природных комплексов - экосистем (биоценозов). Каждый биоценоз представляет собой своеобразную модель биосферы в уменьшенном варианте.
На континентах преобладают растения, а в океане - животные. Величина биомассы организмов океана - 0.13% от суммарной массы живых организмов планеты. Поверхность океана составляет 70,2% поверхности Земли. Живое вещество планеты в основном сосредоточено в зеленых растениях суши. Организмы, не способные к фотосинтезу, составляют менее 1%/
Сухопутные животные составляют 93% из общего числа видов, водные - 7%. То же соотношение характерно для растений - 92% сухопутных и 8% водных. Число видов растений составляет около 21%, животных 79% (доля животных - 1% всей биомассы Земли).
Отсюда вытекает фундаментальная закономерность материи: Более высокий уровень дифференциации сосредоточен в меньшем объеме, чем уровень менее дифференцированный.
43.3 ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ЭКОЛОГИИ
Термин "экология" был предложен в 1866 г. немецким натуралистом Э. Геккеллем для обозначения "общей науки об отношении организмов к окружающей среде".
Экология (греч. oicos -дом, жилище, logos -наука, учение) - наука о взаимоотношениях организмов между собой и окружающей неживой природой.
В настоящее время экология представляет собой одну из наиболее быстро развивающихся биологических дисциплин. Из-за критического состояния окружающей среды экологические проблемы приобрели важное общественно-политическое значение.
Задача экологии - изучить закономерности размещения живых организмов в пространстве, изменения численности потоков организмов, потока энергии через живые системы и круговорота вещества, происходящего при участие живых организмов.
| Использование экологических знаний | |||
| При создании производств (безотходных или малоотходных) | В сельском хозяйстве (биологические методы борьбы с вредителями) | Теоретическая база для различных отраслей народного хозяйства | Охрана природы (создание заповедников и т.д.) |
Ключевым разделом экологии является учение об экологических факторах -внешних и внутренних силах (компонентах среды), воздействующих на популяции и виды и определяющие скорость и направление процессов, протекающих в природных сообществах организмов.
Различают абиотические факторы, обусловленные свойствами неорганического окружения популяций, и биотические, имеющие биологическое происхождение.
Важным разделом экологии является биоценология - учение о сообществах живых организмов, обитающих в определенных пространствах окружающей среды.
Важнейшей особенностью биосферы является возникающие в ходе эволюции чрезвычайное разнообразие живых организмов, образующих сферу жизни. Эта сфера тонка и хрупка: всего несколько десятков метров почвенного слоя, около 11 км океанских глубин, 10-15 км атмосферы. В данном пространстве живет, развивается 1,5 млн. животных и 350 тыс. растений. Благодаря деятельности растений биосфера аккумулирует и распределяет энергию, получаемую Землей из космоса.
Организмы в природе не существуют изолированно друг от друга. Особи одного вида образуют популяции - группировки, населяющие определенную территорию.
Популяции разных видов, занимающие определенный участок (озеро, луг) образуют сообщество.
Сообщество в совокупности с неживыми компонентами среды, с которыми оно взаимодействует (солнечный свет, климат, почва., вода, составляет экосистему.
Все эти объекты, относящие к трем разным уровням организации (организменному, популяцнонно-видовому и экосистемному), изучает экология.
Первичной элементарной единицей биосферы является экосистема -сообщество живых существ, среда их обитания, объединенное в функциональное целое.
Экосистема представляет собой многообразие видов, обитающих на четко ограниченном пространстве с характерными для данной территории природными условиями (климат, почвы, водные ресурсы) и многообразными связями между организмами, а также между организмами и природной средой.
Размеры экосистем на Земле существенно различаются. Можно выделить несколько уровней экосистем:
1) микросистема - ствол гниющего дерева;
2) мезосистема - лес, река, болото;
3) макросистема —океан.
Таким образом, биосфера представляет собой совокупность всех экосистем, она является глобальной экосистемой.
Каждый биогеоценоз включает все основные экологические группы организмов и по своим потенциальным возможностям равен биосфере. Это своего рода первичная ячейка эволюции. Биотический круговорот в рамках биогеоценоза - своеобразная модель биотического круговорота Земли. В силу этих особенностей каждый биогеоценоз в ходе эволюции способен распространяться на всю планету. Устойчивость биосферы определяется ее организацией, то есть системой независимых биогеоценозов.
44 . ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ И СРЕДА ИХ ОБИТАНИЯ
44.1 ВЗАИМООТНОШЕНИЯ ОРГАНИЗМА И СРЕДЫ
Среда в понимании эколога - все, что окружает особь (популяции, сообщество) и воздействует на нее. Сюда входят другие особи того же вида, популяции других видов, любые неживые объекты, физические и химические процессы и явления.
У каждого из видов, даже населяющих одно и то же сообщество -своя среда обитания.
С внешней средой живые организмы постоянно обмениваются веществом и энергией. Такие системы в физике называют открытыми. Растения получают энергию в виде солнечного света, остальные организмы в виде различных веществ, при окислении которых освобождается энергия химических связей. Запасенная в виде связей молекул АТФ энергия расходуется организмами на совершении различных видов работы: синтез органических соединений, транспорт веществ, движение. Часть энергии при этом рассеивается в виде тепла. Вещества, поступающие извне, организмы преобразовывают и включают в состав своего тела, либо расходуют на химические реакции (кислород - на дыхание).
Испытывая потребности в притоке вещества и энергии, организмы полностью зависят от среды. Как только обмен со средой прекращается, активная жизнедеятельность становится невозможной.
Организмы не только испытывают влияние среды, но и сами активно влияют на нее. От жизнедеятельности организмов зависит газовый состав атмосферы. Кислород поступает в результате фотосинтеза растений и расходуется организмами анаэробами при дыхании. Азот извлекается из атмосферы благодаря жизнедеятельности азотфиксирующих бактерий и возвращается в нее благодаря деятельности других бактерий.
Организмы могут менять не только химический состав среды, но и ее физические свойства. Роющие животные рыхлят почву, перемешивают ее слои и тем самым меняют механический состав.
Особое влияние на физическую среду оказывают наземные растения. В лесу климатические условия иные как на рядом расположенном поле: ниже средняя температура, менее ветрено, выше влажность больше осадков.
44.2 ФАКТОРЫ СРЕДЫ
Организмы испытывают воздействия постоянно меняющихся условий среды и сами изменяют эти условия.
Экологический фактор - любой компонент среды, способный оказывать влияние на организмы. Все факторы среды делят на абиотические, биотические и антропогенные.
Абиотические факторы - это вес факторы неживой природы. К ним относятся физические и химические характеристики среды, а также климатические и географические факторы, имеющие сложную природу: смена сезонов года, рельеф, направление и сила течения или ветра и т. д.
Биотические факторы - сумма воздействий живых организмов. Многие организмы влияют друг на друга непосредственно. Хищники поедают жертв, насекомые пьют нектар и переносят пыльцу с цветка на цветок, болезнетворные бактерии образуют яды. разрушая клетки животных. Кроме того организмы косвенно воздействуют друг на друга, изменяя среду обитания. Отмершие листья деревьев образуют опад, который служит местом обитания и пищей для многих организмов.
Антропогенные факторы - влияние человека на другие виды и на среду обитания. В ходе промышленной деятельности человека в среду поступают тысячи разных химических соединений, со многими из которых природа ранее не сталкивалась. Это воздействие можно приравнять к появлению мощных и разнообразных новых абиотических факторов.
Для сельскохозяйственного производства человек уничтожает природные сообщества и создает искусственные сообщества - агроценозы, которые состоят из одного или немногих видов сельскохозяйственных растений и сопутствующих им сорняков и вредителей.
Все факторы можно разделить на условия и ресурсы. Ресурсы организм может потреблять и тем самым снижать их доступность для других организмов (пища). Условия - это факторы, воздействие которых на организм не зависит от их потребления другими организмами (температура).
Химические вещества, окружающие организмы, оказывают на них разнообразное воздействие. Одни из них необходимы для жизнедеятельности и организмы их поглощают, другие при определенных концентрациях ядовиты, и от их вредного воздействия организм защищается; третьи поступают в организм в излишних количествах и выводятся наружу. На организмы влияет газовый состав среды. В водной среде на организмы оказывает влияние концентрация солей, так как влияет на процессы осмоса. Важным химическим фактором является содержание в среде водородных ионов, и активная реакция рН. Этот показатель, зависящий от соотношения разных солей, варьируется в воде и почвах в широких пределах. Многие растения способны жить только на щелочных или закисленных почвах. Сильно щелочная или сильно кислая среда губительна для большинства организмов, изменения рН в озерах и почвах из-за деятельности человека приводит к гибели сообществ.
На большинство сообществ воздействую такие факторы как течения и ветер. Другие абиотические факторы - наводнения, пожары, оползни в горах, подмывание берегов реками, сильные шторма. Эти факторы могут приводить к нарушениям и катастрофам, они играют огромную роль в жизни сообществ. Вследствие этого возрастает неоднородность условий, что позволяет жить в сообществе большому числу видов.
Все факторы воздействуют на организм совместно. При этом результат воздействия одних факторов зависит от других. В мороз животные могут погибать при отсутствии пищи. Человек легче перенести жару при низкой влажности воздуха, чем при высокой.
Сложные взаимодействия существуют между разными биотическими факторами. Ослабленное паразитами животное становится легкой добычей хищников.
| Факторы среды: | |
| Экологические факторы | - любые элементы среды, способные оказать прямое воздействие на живые организмы, хотя бы на одной из фаз жизненного никла Действие факторов сводится: а) к изменению географического распространения, б) к воздействию на плотность популяции путем изменения плодовитости, смертности, стимуляции миграции, в) к появлению адаптивных признаков |
| Лимитирующий фактор | экологический фактор, проявляющийся либо в недостаточной, либо наоборот, в избыточной степени. |
| Экологическая валентность | способность вида, определенной популяции вида или отдельных особей заселять различные территории. |
| Основные экологические факторы: | |
| Биотические | - взаимодействие между особями в популяциях и между популяциями |
| Антропогенный | - вся деятельность человека, приводящая к изменению природы, как среды обитания живых организмов. |
| Абиотические | температура, свет, влажность, давление, ветер |
44.3 ВЛИЯНИЕ ОСНОВНЫХ БИОТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ
Температура и ее влияние на биологические процессы.
Температура – один из важнейших абиотических факторов, она действует везде и постоянно, она влияет на скорость многих физических процессов и химических реакций в живых организмах и их клетках.
Температура влияет на скорости различных физиологических процессов, от пищеварения до проведения нервного импульса. Слишком низкие и высокие температуры губительны для клеток.
Температура наиболее благоприятная для жизнедеятельности и роста, называется оптимальной.
Любой организм может существовать только в определенном интервале температуры. Он ограничен сверху и снизу летальными температурами.
В зависимости от ширины интервала температур организмы делятся на эвритермные (греч. eurus - широкий) и стенотермные (греч. stenos -узкий). Первые выдерживают широкие колебания температуры, вторые живут в узких пределах.
К эвритермным относятся организмы, встречающиеся в районах с континентальным климатом, многие из них имею стадии, переносящие широкие диапазоны температуры - куколки, яйца, цисты, споры.
Важную роль в температурной адаптации имеет теплоустойчивость и морозоустойчивость белков и клеточных структур.
Пределы толерантности (устойчивости) зависят от того, при какой температуре до этого содержался организм. Изменения пределов устойчивости под влиянием предшествующих воздействий называется акклиматизацией (закалка растений). Акклиматизация связана с перестройкой различных биохимических процессов.
Морфологическая адаптации: 1) Согласно правилу Бергмана с продвижением на север увеличиваются средние размеры тела в популяциях теплокровных животных, при этом уменьшается средняя поверхность тела, а значит и теплоотдача;
2) развитие густого и длинного покрова у млекопитающих;
3) у растений изменяется форма роста - в полярных зонах много подушкообразных растений, растений с прикорневыми розетками.
Физиологическая адаптация - способность организмов менять температуру своего тела. Все животные делятся на пойкнлотермные (греч. poirilos различный, переменный и (пепле тепло) и гомонотермных (греч. homoios - подобный).
Гомойотермные животные имеют практически постоянную температуру тела независимо от температуры среды. Настоящие гомойтермные животные -большинство птиц и млекопитающих. Все остальные организмы пойкиломоторные. Гомойтермные животные способны к химической и физической терморегуляции.
У пойкилотермных температура тела не постоянная
Химическая терморегуляция - способность регулировать теплопродукцию за счет изменений обмена, эту функцию у животных выполняет бурый жир.
Физическая терморегуляция - способность регулировать теплоотдачу изменения массы перьев, подкожный жировой слой, испарение жидкости с поверхности тела - потооделенне. учащенное дыхание).
В зависимости от температурных условий организмы могут существовать в разных местообитаниях - стациях. При этом выполняется правило предварения: южные виды растений на севере встречаются на хорошо прогреваемых южных склонах, а северные виды у южных границ ареала - на прохладных северных склонах.
У животных есть разнообразные поведенческие адаптации к температуре.
Для наземных сообществ характерна широтная зональность -закономерная смена одних сообществ другими при продвижении от экватора к полюсу.
Влияние влажности на наземные организмы
Все живые организмы испытывают потребность в воде. Биохимические реакции, идущие в клетках протекают в жидкой среде. Вода для организмов служит универсальным растворителем, с ее помощью транспортируются питательные вещества, гормоны, выводятся вредные продукты обмена и др.
Адаптация растений и животных к влажности. Необходимость экономить воду вызвала к жизни приспособления, сходные у растений и животных. У них имеются специализированные покровные ткани, слабо проницаемые для воды. Дыхание осуществляется через небольшие отверстия, ведущие во внутренние полости, что уменьшает потери влаги.
Наземные животные ищут или активно создают микроклиматические условия с подходящей влажностью. Большинство растений основную часть влаги приобретают из почвы. Этот процесс регулируется с помощью роста корней за счет особого строения листьев.
Различают следующие экологические группы растений:
1) гидрофиты - наземно-водные растения, обитающие на мелководье и на болотах, живут в условиях постоянно высокой влажности воздуха и почвы;
2) мезофиты растут при среднем увлажнении и переносят- не очень сильные засухи;
3) ксерофиты обитают в условиях недостаточного увлажнения.
Влияние света на фото- и гетеротрофов.
Фототрофы - организмы, способные преобразовывать энергию света в энергию химических связей, используемую затем для синтеза органических веществ из неорганических. К фототрофам относятся цианобактерии, некоторые другие виды бактерий, одноклеточные и многоклеточные водоросли и высшие растения. У зеленых растений свет стимулирует синтез хлорофилла.
Потребности разных растений в свете неодинаковы. Световые растения обитают на открытых местах, они приспособлены к свету высокой интенсивности и плохо чувствуют себя в затемнении. Теневые растения обычно живут под пологом леса и приспособлены к низкой интенсивности света. Тенелюбивые растения могут жить при разной интенсивности света.
Для многих микробов и некоторых животных прямой свет губителен. Гетеротрофы - организмы, потребляющие готовые органические вещества и неспособные к их синтезу из неорганических. Они могут жить в условиях постоянной темноты.
Многие животные имеют суточный ритм активности, насекомые и птицы способны запоминать и использовать положение Солнца как ориентир. Для планктона изменения освещенности служат стимулом, вызывающим вертикальные миграции.
Фотопериодизм. Реагируя на изменения длины дня, организмы подготавливаются к условиям наступающего сезона. Эти реакции на изменения длины дня называются фотопериодическими реакциями или фотопериодом. От длины дня зависят сроки цветения и другие процессы у растений. Для перелетных птиц сокращение светлого времени суток служит сигналом к началу миграции.
44.5 АДАПТАЦИЯ.
Приспособление организмов к среде идет с помощью системы адаптации, вырабатываемых в ходе эволюции. Адаптация - система признаков, с помощью которых достигается соответствие между организмом и его образом жизни. Все адаптации имеют экологическую приуроченность.
Основные виды адаптации:
Морфологические адаптации - изменения формы тела, размеров и окраски.
Анатомо-физиологические адаптации - изменения строения органов и их физиологических особенностей.
Репродуктивные адаптации - изменения, связанные с системой размножения.
Биохимические адаптации - изменения биохимических процессов в организме.
Поведенческие (этологические) адаптации - различные изменения поведения.
Адаптивные биогеографические закономерности: Правило Глогера (правило окраски). Окраска животных, обитающих в условиях влажного и жаркого климата более интенсивна, чем у географических форм тех же видов, обитающих в условиях сухого и холодного климата.
Правило Аллена (правило придатков). У теплокровных животных по направлению с севера на юг часто наблюдается увеличение придатков тела (удлинение хвостов, ушных раковин) и различных выростов (хохолков, воротничков и т. д.). Приложимо только к близким видам или подвидам одного вида.
Правило Бергмана (правило размеров тела). Из двух близких видов иди подвидов, более крупные обитают в холодном климате, а более мелкие - в теплом.
Правило Либиха (правило минимума). Лимитирующим для существования вида будет фактор, проявляющийся в степени, находящийся ниже потребностей вида.
В высоких широтах основным запасным питательным веществом является - жир, а в низких - гликоген.
В высоких широтах наибольшей стабильностью отличаются популяции видов, развитие яиц которых эмбрионироваио (идет по типу прямого, т. е. яйцо жирового, а не углеводного типа.)
В высоких широтах уменьшается количество видов, но увеличивается количество особей каждого вида.
У близких видов, но уже обладающих четкими видовыми признаками форм, различия в закономерностях географической изменчивость проявляются крайне резко, чем подчеркивается и различие их реакций на изменение условий существования.