I. Предмет экологии, методы и задачи экологии План
| Вид материала | Лекция |
- Программа вступительного экзамена в аспирантуру по специальной дисциплине 03. 02., 89.09kb.
- Вопросы к зачету по дисциплине «Экология», 38.39kb.
- Шилов И. А. Экология. М.: Высшая школа, 1998. Николайкин Н. И., Николайкина Н. Е.,, 25.15kb.
- Экология как научная, 94.09kb.
- Тематический план подготовки в Учебно-производственном экологическом центре специалистов, 75.64kb.
- Экология человека как научная, 87.99kb.
- Программа минимум кандидатского экзамена по специальности 03. 02. 08 экология, 290.05kb.
- План лекций по основам экологии и охраны природы для студентов 4 курса фармацевтического, 26.46kb.
- 1. Предмет, задачи и проблемы экологии как науки, 368.36kb.
- Задания к теоретической части программы (разработала: Оскирко С. А.) Предмет и задачи, 130.37kb.
^ 3.5. Систематика живых организмов
На Земле описано 2,5 млн видов живых организмов. Но реально – в несколько раз больше. Считается, что современный видовой состав – 5% от видового разнообразия за весь период. Для упорядочения существуют систематика, классификация и таксономия.
Систематика – раздел биологии по описанию, обозначению классификации существующих и вымерших организмам по таксонам. Классификация – распределение множества живых организмов по определенной системе иерархически соподчиненных групп – таксонов. Таксономия – раздел систематики, разрабатывающий теоретические основы классификации. Таксон – искусственно выделенная человеком группа организмов, связанных той или иной степенью родства.
В современной классификации существует иерархия таксонов: царство, отдел (тип у животных), класс, порядок (отряд у животных), класс, порядок (отряд у животных), семейство, род, вид.
^ 3.6. Надорганизменные биосистемы. Популяции.
Объединение организмов одного вида в популяцию выявляет качественно новые свойства. Решающее значение приобретают численность и плотность организмов, их размещение, половой и возрастной состав, характер взаимоотношений между особями, контакты с другими популяциями. Популяция может существовать очень долго.
Популяции бывают монолитными или состоять из семей, кланов, стад, стай. Популяция имеет определенную структуру, генетическую целостность, генетическую программу самовоспроизведения, способность к авторегуляции и адаптации, коллективное материально-энергетическое хозяйство. Популяции – единица биомониторинга, эксплуатации и охраны природных экосистем. Многие закономерности популяционной экологии относятся к популяции человека.
Структура популяций. Различают половую, возрастную, генетическую пространственную и экологическую структуру популяций. Половая структура – соотношение особей разного пола. Соотношение полов определяется различием наборов мужских и женских особей. Чаще наблюдается отклонение в сторону преобладания женских особей.
В ряде случаев соотношение полов определяется температурой эмбрионального развития (муравьи, термиты, рептилии). Влияет на смертность самцов или самок изменения экологических условий (мыши полевки). Влияют не только генетические, но и физиологические, гормональные факторы и условия среды.
^ Возрастная структура – соотношение особей разного возраста. Она отражает интенсивность размножения, уровень смертности, скорость смены поколений. Для всех популяций в природе справедливо правило стабильности половозрастной структуры, стремление к оптимальному распределению особей по полу и возрасту.
^ Генетическая структура. Определяется изменчивостью и разнообразием генотипов, частотой вариации генов, разделением популяции на группы генетически близких особей. Для каждой популяции характерен фенотипический полиморфизм – разнообразие признаков по контролем генов и экологических факторов. Чем выше генетическая разнородность, тем больше ее экологическая пластичность – возможность приспосабливаться к условиям среды. В небольших популяциях возрастает частота близкородственного скрещивания, что уменьшает разнообразие и увеличивает угрозу вымирания.
^ Пространственная структура – характер размещения на территории. Перенаселенность или недонаселенность служат лимитирующими факторами. Образование стай, колоний дают защитный эффект.
^ Экологическая структура – разделение на группы особей: по питанию, по половому, возрастному, двигательной активности. Часто наблюдается распределение функций (разделение труда) при охоте на добычу, уходе за потомством. Для всех популяций характерна фенотипическая дифференциация: сроки сезонных циклов развития и поведения (линька, спячка, половая активность, цветение, плодоношение, листопад).
Размер и динамика численности популяции. Популяция обладает минимальной численностью и плотностью, т.е. числом особей на единицу площади или объема. Численность и плотность колеблется во времени – по годам, сезонам, от поколения к поколению. Численность популяции определяется соотношением рождаемости и смертности, на которые влияют внешние и внутренние факторы.
Изменение численности популяции определяется разностью относительных величин рождаемости и смертности, т.наз. биотическим или репродукционным потенциалом. При отсутствии сопротивления среды наблюдается экспоненциальный рост популяции, прирост числа особей пропорционален уже имеющемуся числу. У микроорганизмов каждые два дня увеличивается в 10 раз, у амбарного долгоносика удвоение через неделю, у мыши – через 8 недель, у человека – 35 лет.
^ Потенциальная способность к размножению у организмов огромна. У простейших в благоприятных условиях деление сокращается до нескольких минут. Гриб склеропора (паразит кукурузы) рождает до 6 млрд спор в день. Треска откладывает до 4 млн икринок в год, сельдь на протяжении жизни – 8…75 млрд. Млекопитающие – от 1 (слоны, киты, приматы) до 20 особей (серая крыса).
Высокая плодовитость компенсируется гибелью родившихся из-за факторов сопротивления среды (недостатка пищи, конкуренции, отклонений в развитии, болезней, паразитов, хищников, нехватки пространства, убежищ). В природных условиях рост популяции рано или поздно прекращается из-за сопротивления среды, которое тем больше, чем больше численность популяции.
У видов, живущих в ненадежных местообитаниях, с высоким сопротивлением среды или у паразитов (низшие растения, паразитические черви, рыбы) репродуктивный потенциал чрезвычайно велик. Виды, освоившие среду с малым сопротивлением или виды с развитой заботой о потомстве обходятся малым репродуктивным потенциалом( орлы, киты, крупные копытные, приматы).
^ 3.7. Экосистемы, состав и функциональная структура экосистемы.
Популяции входят в состав сообществ, где они сочетаются с представителями других видов. Многовидовые сообщества организмов в природе – биоценозы образованы так, что обеспечивают круговорот веществ и потоки энергии. Этим достигается устойчивость экосистем.
Каждая экосистема имеет собственное материально-энергетическое обеспечение и структуру, основанную на пищевых (трофических) взаимоотношениях. Структура составлена несколькими группами организмов, каждая из которых выполняет определенную работу в круговороте веществ. Организмы одного звена образуют трофический уровень, а трофические связи между ними образуют цепи питания. В экосистему входят организмы, различаемые по способу питания – автотрофы и гетеротрофы.
Автотрофы – организмы, образующие органическое вещество своего тела из неорганических веществ (углекислого газа, воды, биогенных элементов) в процессах фотосинтеза и хемосинтеза. Автотрофное питание имеют фототрофы и хемотрофы.
Фототрофы превращают солнечную энергию в химическую, заключенную в органических молекулах, из которых построены их ткани. Они составляют основную массу биоты и образуют ее органическое вещество, т.е. являются первичными производителями продукции – продуценты экосистем. Фотосинтез осуществляют зеленые растения и микроорганизмы (эвглена зеленая).
Хемотрофы для синтеза органических веществ используют энергию химических реакций. Хемосинтез наблюдается у некоторых почвенных и водных бактерий, которые используют в качестве источника энергии ферментативное окисление соединений серы, водорода, железа (сероводородные бактерии, железобактерии). Роль хемотрофов в наземных экосистемах сравнительно невелика.
Т.о. синтезированная автотрофами биомасса органического вещества – первичная продукция, а скорость ее образования – биологическая продуктивность экосистемы. Автотрофы образуют первый трофический уровень экосистемы.
Гетеротрофы – организмы, потребляющие готовое органическое вещество других организмов и продуктов их жизнедеятельности. Это животные, грибы, большая часть бактерий. Гетеротрофы выступают как потребители и деструкторы мертвых тел и паразиты, использующие органическое вещество живых организмов.
Сапрофиты используют для питания органическое вещество мертвых тел; к ним относятся: черви (дождевые), насекомые (осы), микроорганизмы (гнилостные бактерии).
Организмы, которые питаются живым органическим веществом хозяина, – паразиты; к ним относятся также черви (гельминты), кровососущие насекомые, патогенные микроорганизмы (стрептококк, холерный вибрион, амеба дизентерийная).
Существует два главных типа пищевых цепей – пастбищные и детритные. В пастбищных пищевых цепях первый трофический уровень занимают продуценты (автотрофы). Они служат пищей (источником вещества и энергии) для консументов.
Консументы – потребители органического вещества организмов; все консументы относятся к гетеротрофам. Консументы I порядка – растительноядные животные (фитофаги), питающиеся растениями. На суше типичными травоядными являются многие насекомые, рептилии, птицы, млекопитающиеся. В водных экосистемах растительноядными являются моллюски, мелкие ракообразные.
Консументы второго порядка – плотоядные животные (зоофаги). Консументы третьего порядка поедают консументов второго порядка. Консументы второго и третьего порядка могут быть хищниками, могут питаться падалью или быть паразитами. Существуют животные со смешанным типом питания. Консументы занимают второй, третий и следующие трофические уровни в экосистеме.
Особенную группу консументов составляют паразиты и симбиотрофы; в отличие от паразитов, вызывающих заболевания, а иногда и гибель хозяина, симбиотрофы выполняют жизненно важные функции для хозяина. Это мицелиальные грибы-микоризы, участвующие в корневом питании растений, клубеньковые бактерии бобовых, связывающие молекулярный азот воздуха, микробиальное население кишечников и желудков жвачных животных, повышающее перевариваемость и усвоение поедаемой растительной пищи.
Еще одну группу консументов образуют детритофаги (сапрофаги) – животные, питающиеся мертвым органическим веществом – остатками и продуктами жизнедеятельности растений и животных (черви, членистоногие, клещи, личинки насекомых, жуки-копрофаги) и другие животные, выполняющие функцию очищения экосистем. Детритофаги участвуют в образовании почвы, торфа, донных отложений водоемов.
Тела погибших растений и животных содержат энергию в органическом веществе. Редуценты – бактерии и низшие грибы – завершают деструктивную работу консументов и сапрофагов, доводя разложение органики до ее полной минерализации и возвращая в экосистему молекулярный азот, минеральные элементы и последние порции двуокиси углерода.
^ Детритная пищевая цепь начинается с отмерших органических остатков и идет далее к организмам, ими питающимися; например: мертвое животное – личинки мух – травяная лягушка.
Все группы организмов в любой экосистеме тесно взаимодействуют между собой в потоках вещества и энергии. Если исчезает одна группа организмов, то по закону цепных реакций может сильно измениться или разрушиться экосистема. Но, бывает, после исчезновения на его месте оказываются другие организмы, выполняющие сходную функцию в экосистеме. Это правило замещения, дублирования. Роль дублеров выполняют менее специализированные, экологически более гибкие, адаптивные. Так, копытных в степи заменяют грызуны, на озерах аистов и цапель – кулики. В соответствии со П правилом термодинамики, на каждом этапе трансформации энергии значительная ее часть рассеивается в виде теплоты.
^ Биотические факторы
Конкуренция – один организм использует фактор, который был бы доступен для другого и мог бы им потребляться. В результате конкуренции одно живое существо лишает ресурса другое, которое при этом имеет больше шансов погибнуть, медленнее расти, оставляет меньшее число потомков. Конкуренция бывает внутри вида (за пищу, жизненное пространство, за полового партнера) или между видами.
Нейтрализм – совместно обитающие виды существуют независимо, их экологические требования различны (полипы и моллюск, рыба прилипала и акула).
Хищничество – тип взаимоотношений, при котором особи одних видов преследуют, убивают и пожирают особей других видов.
Паразитизм – форма межвидовых отношений, при которой организм паразита получает необходимые питательные вещества от хозяина. Паразитизм распространен достаточно широко, начиная от вирусов, бактерий, кончая высшими растениями и многоклеточными животными.
Паразиты подразделяются на облигатных (организмы, для которых паразитический образ жизни является обязательным – гельминты, чесоточный клещ) и факультативных – способных вести свободный образ жизни и лишь при случайном попадании в организм другого вида сохраняют жизнеспособность.
Кроме того, различают временных паразитов – нападающих на хозяина только для питания (кровососущие насекомые, клещи), и постоянных, обитающих внутри (эндопаразитов, обитающих в клетках – вирусы, малярийный плазмодий; тканях или полостях тела – лямблии, гельминты, печеночный, легочный сосальщик); или на поверхностях тела хозяина – эктопаразиты(комары, клещи, вши).
^ Симбиоз – сожительство организмов разных видов; он имеет разные формы: – комменсализм – форма симбиоза, при котором один организм использует другой, не причиняя ему вреда. Один может использовать другого для защиты, передвижения, питания. – мутуализм – форма симбиоза, взаимополезное сожительство организмов разных видов, присутствие партнера является обязательным условием существования каждого из них.
Зоохория – форма межвидовых отношений, при которых животное содействует растениям и распространении плодов и семян.
Аллелопатия – это взаимодействие организмов посредством специфически действующих химических продуктов обмена веществ, которые выделяются во внешнюю среду.
Примеры пищевых цепей: фитопланктон–зоопланктон–планктонофаги (черви, ракообразные, моллюски, иглокожие–рыбы (два-три звена)–тюлени–белый медведь. Совокупность трофических уровней моделируются трофическими пирамидами биомасс и энергии.
В наземных экосистемах биомасса растений всегда больше биомассы животных, биомасса фитофагов всегда больше биомассы зоофагов.
Устойчивость экосистемы тем больше, чем больше она по размеру, чем богаче и разнообразнее ее видовой и популяционный состав. Но экосистемы способны к изменениям, к развитию, переходу от более простых к более сложным формам. Масштабные изменения под влиянием природных катастроф или антропогенным, приводят к последовательным изменениям биоценозов – сукцессиям (англ. последовательность).
Наземные экосистемы природно-климатической зоны имеют общую структуру и образуют биомы. Тундры и лесотундры, таежные и горные хвойные леса, лиственно-хвойные леса, широколиственные, субтропические, влажные тропические леса, саванна, степи, прерии, пустыни, пашни, обрабатываемые земли, окультуренные пастбища, воды суши, полярные горные ледники – это основные биомы Земли. 94% всей биомассы Земли сосредоточено в лесах, 10% составляют обрабатываемее земли.
3.4. Биосфера
Биосфера – приземный слой атмосферы (несколько десятков м над поверхностью растительного покрова или над океаном), поверхностные слои земной коры(по горизонту грунтовых вод, гидросферу Земли (в океане – фотический слой около 100 м). Биота биосферы обуславливает большую часть химических превращений на планете. В.И. Вернадский об огромной преобразующей геологической роли живого вещества.
^ Биомасса, продуктивность и основные функции биосферы. Суммарная биомасса биосферы (на сухое вещество) около 2 трлн т. Общее количество энергии, преобразуемое биотой 1022 Дж. Благодаря способности трансформировать солнечную энергию в энергию химических связей растения и другие организмы выполняют фундаментальные биогеохимические функции.
Газовая функция. Живые организмы постоянно обмениваются кислородом и углекислым газом с окружающей средой в процессах фотосинтеза и дыхания. Растения сыграли решающую роль в смене восстановительной среды на окислительную в геохимической эволюции планеты, в формировании газового состава атмосферы. Они контролируют концентрации кислорода и углекислого газа, оптимальные для биоты.
^ Концентрационная функция. Живые организмы осуществляют биогенную миграцию и концентрирование химических элементов. Ранние этапы эволюции проходили в водной среде. Организмы научились извлекать из водного раствора вещества, многократно увеличивая их концентрацию в своем теле.
^ Окислительно-восстановительная функция живого вещества. Живые клетки имеют в своем составе активные катализаторы химических процессов, например, окислить молекулярный азот в миллионы раз быстрее, чем в лабораторный условиях.
^ Информационная функция живого вещества биосферы. Организмы способны к получению информации путем соединения потока энергии с активной молекулярной структурой , играющей роль программы. Способность воспринимать, хранить и перерабатывать молекулярную информацию совершила эволюцию в природе и стала важнейшим экологическим системо образующим фактором. Суммарный запас генетической информации оценивается в 1015 бит, общая мощность потока молекулярной информации биосферы 1035 бит/с.
Перечисленные функции живого вещества биосферы обращены в внешним факторам существования, вместе они образуют мощную средообразующую функцию. Работа растений обусловила состав атмосферы. От состава атмосферы зависит радиационный и тепловой режим на планете, спектральный состав солнечного света. Растительный покров определяет водный Балан, распределение влаги и климатические особенности местности. Живые организмы играют решающую роль в самоочищении воздуха, воды, почвы. Благодаря растениям образовалась почва, поддерживается ее плодородие.
Биота одарила человека пищей, одеждой, др. Средообразующая функция биосферы связана с средорегулированием. Биота формирует и контролирует состояние окружающей среды.
^ 3.5. Биотическая регуляция окружающей среды.
Поток энергии в биосфере. Правило 1%. Солнце дарит Земле колоссальное количество энергии – 2,5 1024 Дж/год. Только 0,3% ее преобразуется в процессе фотосинтеза в энергию химических связей органических веществ и 0,1% оказывается заключенной в чистой первичной продукции. В соответствии с законом пирамиды или правилом 10% Линдемана (1942) с каждой ступени на последующую приблизительно 10% энергии. Чем больше таких ступеней, тем меньшая доля энергии достается конечному потребителю. Участие разных групп организмов в деструкции органики имеет похожую градацию: около 90% энергии чистой первичной продукции освобождают микроорганизмы, менее 10% – беспозвоночные животные и менее 1% позвоночные – конечные консументы.
Правило 1%: для биосферы в целом доля возможного конечного потребления чистой первичной продукции в энергетическом выражении не превышает одного процента
Поток солнечной энергии образует глобальные физические круговороты воздуха и воды на Земле. Движение воздушных масс обуславливает аэрогенную миграцию веществ, в первую очередь паров воды и пылевых частиц, аэрозолей. Под действием солнечной радиации в атмосфере происходят различные фотохимические реакции – фотолиз воды, образование озона, образование углеводородных смогов и др.
Круговорот воды определяет гидрогенную миграцию веществ, которая состоит из множества процессов. Только вода может находиться в природе в трех фазовых состояниях: твердом, жидком и газообразном. Фазовые переходы воды – ее замерзание, таяние, конденсация водяных паров и испарение, связаны с количеством поступающей в различные районы Земли в различные сезоны года солнечной энергии.
Круговорот воды обеспечивает взаимосвязь всех элементов гидросферы: испарение, конденсация, образование облаков, выпадение из них осадков, поверхностный и подземный сток. В глобальный круговорот воды в природе вовлечено около 577 тыс. км3, что составляет 0,04% от всех ее запасов на Земле. С поверхности океана испаряется 505 тысяч км3, суши – 72 тыс. км3, выпадает в виде атмосферных осадков на поверхность океана - 458 тыс.км3, суши – 119 тысяч км3 в год. Разность между осадками и испарением с поверхности океана, равная 47 тыс. км3, представляет собой объем воды, который в виде речного стока поступает в Мировой океан (Г.Уайт, 1990).
Круговорот воды объединяет все водные ресурсы планеты, которые находятся в океане, атмосфере, биосфере, земной коре, обеспечивая таким образом единство всех природных вод Земли. Большой круговорот воды состоит из трех составляющих: океанического, атмосферного и материкового. Материковый круговорот включает литогенное, почвенное, речное, озерное, ледниковое, биологическое и хозяйственное звенья, каждое из них отличается определенной скоростью водообмена, специфической структурой всех своих частей.
Наиболее активный водообмен отмечается в реках и атмосфере, очень медленный круговорот воды происходит в ледниках, при формировании подземных вод. Биологическое и почвенное звенья круговорота воды обеспечивают жизнь и сельское хозяйство, именно эти звенья подвергаются наибольшему преобразованию при создании водохранилищ, прудов, проведении ирригационных мероприятий. Эти мероприятия проводят с целью искусственного замедления круговорота воды для гарантии устойчивого водообеспечения народного хозяйства и населения.
Таким образом, кроме физических круговоротов воды и воздуха, вызываемых потоком солнечной энергии, в них вовлечены круговороты химических элементов. В значительной части этих процессов участвуют живые организмы.
^ Биотический круговорот. В круговорот биогенных элементов вовлечены важные для биоты минеральное элементы и множество различных соединений. Поэтому весь циклический процесс химических превращений, обусловленной биотой, называют биогеохимическим круговоротом. Круговорот полностью замкнут. Главным участником биотического круговорота является углерод, как основа органических веществ. Схема глобального круговорота углерода на рис. Масса углерода в биосфере а настоящее время составляет 4 000 Гт. Из них 1000 Гт приходятся на биомассу. Ежегодная продукция биосферы по углероду составляет 90… 100 Гт. Такое же количество углерода освобождается в процессах дыхания и деструкции. Период обновления биомассы биосферы по углероду составляет 10 лет. Несмотря на то, что фотосинтез и деструкция органики проходят множество промежуточных этапов и связаны с деятельностью колоссального числа различных организмов и экосистем, их равенство в биосфере поддерживается с высокой точностью.
Современный газовый состав атмосферы оставался неизменным по меньшей мере 10 4 лет.
^ Круговорот азота. Азот входит в структуру белков, является лимитирующим биогенным элементом. Колоссальный резерв свободного молекулярного азота в атмосфере лишь в ничтожной степени используется в биотическом круговороте. Соотношение связанного и свободного азота 1:100 000. энергия химической связи в молекуле азота очень велика, поэтому азотфиксация требует больших затрат энергии; в присутствии катализаторов при температуре 5000 С и давлении 300 атм.
В биосфере фиксация азота осуществляется анаэробными и цианобактериями благодаря высокой эффективности биокатализатора. Считается, что бактерии переводят в связанную форму около 1 млрд т азота в год. Продукт азотфиксации аминогруппа включается в круговорот, являясь основой азотного питания растений.
Круговорот азота в природе сопряжен с круговоротом углерода. Он замкнут настолько, насколько постоянны общая биомасса и состав экосферы, т.к. доступные для биоты резервы азота в почве и в воде достаточно велики.
^ Круговорот кислорода. В отличие от углерода и азота доступного для биоты кислорода много, отсутствует дефицит. Биотический круговорот кислорода 250 Гт/год, а общее количество в пределах биосферы 1014 т. Кислород – первый по распространенности элемент. Однако для водных организмов необходим кислород, растворенный в воде, его среднее содержание в фотическом слое гидросферы 4,5 мг/л, что на грани выживания биоты. Некоторый дефицит кислорода возникает только в высокогорье, в зонах интенсивного потребления и в искусственных резервациях.
С круговоротом кислорода тесно связано образование озона. В высоких слоях атмосферы под влиянием жесткого ультрафиолетового излучения происходит ионизация и диссоциация части молекул кислорода, образуется атомарный кислород, который немедленно присоединяется к радикалам кислорода, образуя озон. На образование озона тратится 5% поступающей к Земле солнечной энергии. Реакции легко обратимы.
Поглощая при своем образовании значительную часть жестких ультрафиолетовых лучей слой озона играет роль защитного экрана для всей биосферы, т.к. многие молекулярные структуры живых организмов разрушаются под действием жесткого ультрафиолета.
^ Круговорот фосфора. Фосфор, как и азот, относится к лимитирующим биогенам, но цикл фосфора существенно разомкнут, так как значительная часть континентального стока фосфатов остается в океанических осадках. Эта разомкнутость существенно усилена антропогенным вмешательством.
Такие же отношения наблюдаются в глобальном круговороте серы и других минеральных элементов, природные резервы которых велики, но относительно мало доступны биоте.