Температура
От температуры ОС зависит температура организмов и, следовательно, скорость всех химических реакций, составляющих обмен веществ. Большинство биохимических реакций в организмах осуществляется при участии ферментов – специализированных белковых катализаторов. Поэтому границы существования жизни – это температуры, при которых возможно нормальное строение и функционирование белков, в среднем от 0 до 500 С. Однако целый ряд организмов обладает специализированными ферментными системами и приспособлен к активному существованию при температуре тела, выходящей за эти пределы. Споры некоторых бактерий выдерживают нагревание до 1800 С. Семена, пыльца и споры растений, нематоды, коловратки, цисты простейших и ряд других организмов переносят температуры до –2700 С, возвращаясь затем к активной жизни. Приостановка всех жизненных процессов организма носит название анабиоза.
В ходе эволюции у живых организмов выработались разнообразные приспособления, позволяющие регулировать обмен веществ при изменениях температуры ОС:
1) различными биохимическими перестройками,
2) поддержанием температуры тела на более стабильном уровне, чем температура ОС.
Источником теплообразования в клетках организмов является тепло, выделяемое благодаря биохимическим процессам окисления и расщепления. Представители большинства видов не обладают достаточно высоким уровнем обмена веществ и не имеют приспособлений, позволяющих удерживать образующееся тепло. Их жизнедеятельность и активность зависят прежде всего от тепла, поступающего извне, а температура тела – от хода внешних температур. Такие организмы называют пойкилотермными (микроорганизмы, растения, беспозвоночные животные и др.).
У ряда групп высокоорганизованных животных на основе выработки собственного тепла развилась способность поддерживать постоянную оптимальную температуру тела, независимо от температуры среды. Таких животных называют гомойотермными (птицы и млекопитающие).
Частный случай гомойотермии – гетеротермия – свойственен животным, впадающим в неблагоприятный период года в спячку или оцепенение. В активном состоянии они поддерживают высокую температуру тела, а в неактивном – пониженную, что сопровождается замедлением обмена веществ. Таковы суслики, ежи, летучие мыши, сони, стрижи, колибри.
Для каждого вида можно установить:
· нижнюю летальную Т или Т гибели от холода,
· верхнюю летальную Т или Т гибели от перегрева,
· Т оцепенения от холода и от жары,
· оптимальную предпочитаемую Т – Т, которую ищет животное - или тепловой префередум (ТП).
ТП изменяется в зависимости от физиологического состояния животного и внешних факторов среды. Тепловой префередум часто определяет особенности распространения животных в биотопах и их перемещения. Организмы могут избегать неблагоприятного температурного режима путем выбора соответствующего микроклимата: совершать миграции на значительные расстояния. Низкие Т могут влиять на плотность популяции – в северных границах ареалов распространения животного вид может стать более редким. Для животных, жизнедеятельность и активность которых зависит от внешнего тепла, низкие Т уменьшают количество поколений в году (поколений плодовой мухи в Гонолулу 11-12, в Алжире – 5, в Париже – 2).
Адаптации растений к крайним высоким Т:
· усиление транспирации тепла через устьица растений, что спасает от перегрева. Например, разница между температурой растения и воздуха у кактуса перуанских Анд составляет 24 градуса;
· отражение и рассеивание падающих на растение лучей благодаря глянцевитой поверхности листьев или густому опушению из светлых волосков;
· размещение листьев ребром к полуденным лучам солнца;
Адаптации к низким Т:
· при низких Т – приземистость, подушковидная форма роста, прижатость листьев побегов к субстрату;
Адаптации животных к низким Т:
· крупные размеры животных холодных широт – чем крупнее животное, тем меньше потери тепла;
· уменьшение поверхности ушей, хвоста, а шея и лапы становятся короче и вся форма животного более приземистой;
· для пойкилотермных животных: биохимические адаптации в неактивном состоянии; способы регуляции Т – перемена позы, активный поиск благоприятных микроклиматических условий, смена мест обитания, и т.д.;
· для гомойотермных – дрожание, жировые запасы, усиленное питание, густой мех, перьевой и особенно пуховой покров птиц;
Адаптации животных к высоким Т:
· испарение воды путем потоотделения или через влажные слизистые оболочки полости рта и верхних дыхательных путей;
· увеличение поверхности тела за счет ушей, складок кожи и т.д.;
· уменьшение силы нагрева путем соответствующей позы (саранча располагает днем тело параллельно солнечным лучам),
· многие обитатели пустыни ведут ночной образ жизни.
3. Влажность
Протекание всех биохимических процессов в клетках и нормальное функционирование организма в целом возможны только при достаточном обеспечении его водой – необходимым условием жизни.
Роль воды как экологического фактора определяется ее физическими свойствами и ее движением.
Кислотность воды: там, где рН выше 10 – вода гибельна для всех рыб. Оптимальная кислотность воды для рыб – 6,5 – 8,5, выносимая – 5-9.
Обычно многие пресноводные реки и озера имеют степень кислотности (щелочности), характеризующейся величинами рН около 7,0, иногда до 8,0. Выпадающим кислым дождям свойственны значения рн 3-4, до 2,4. В соответствии с этим в первую очередь начинает изменяться кислотность озерных и прудовых вод, преимущественно непроточных. Картина-схема градации величин рН, влияющей на водные гидробионты:
- при снижении рН до 7,0 вода приобретает нейтральную реакцию, в ней снижается содержание кальция, начинается гибель икры некоторых земноводных;
- при рН 6,6 начинают погибать некоторые улитки;
- при рН 6,0 исчезают пресноводные креветки;
- при рН 5,5 – 6,0 сокращаются численность и общее количество гидробионтов. Гибнет планктон, на дне начинают скапливаться неразложившиеся органические остатки;
- если рН опускается ниже 5,5, развиваются кислотолюбивые мхи, грибы, нитчатые водоросли, вымирают многие виды рыб;
- при рН 4,5 рыбы в озере практически не остается, органические остатки ложатся неразложенными на дно. Жизнь в озере замирает.
Текучие воды: движение воды приводит к выравниванию и понижению Т во всей ее толще и обогащению ее кислородом; рыба держится головой навстречу течению и пытается преодолеть его.
Растворенные вещества: распределение кислорода в воде озера зависит от Т и перемещения слоев. Выделяют: глубоководные озера – олиготрофные – низкая Т глубоких слоев, разложение органических остатков идет медленно, отсюда и богатство кислорода; эутрофные – неглубокие, придонные воды имеют небольшую Т, большая скорость распада органики, зеленый цвет воды, небольшое количество кислорода; дистрофные озера – высокое содержание гумусовых кислот, коричневый оттенок воды, большая кислотность воды, бедны растительностью и жизнью, мало кислорода.
Минеральные вещества – в естественных водах концентрация солей весьма различна. Соленость воды играет важную роль в распространении организмов. Виды, способные переносить повышенную соленость, обитают в солоноватых водах, численность их очень велика, но видовой состав беден.
Классификация организмов в зависимости от их потребностей в воде:
- водные или гидрофильные – постоянно живут в воде,
- гигрофильные – живут только в очень влажных местообитаниях с воздухом, насыщенным или близким к насыщению водяными парами – взрослые амфибии, дождевые черви, животные пещер...
- мезофильные – отличаются умеренной потребностью в воде, могут преносить смену сухого и влажного сезонов,
- ксерофильные – живут в сухих местообитаниях – в пустынях, прибрежных дюнах.
Влажность определяет:
- продолжительность жизни и скорость развития – квакши при низкой влажности погибают,
- плодовитость – у многих насекомых процесс размножения и величина кладок зависит от влажности воздуха,
- поведение – некоторые комары перестают питаться,
- и т.д.
Приспособления животных для обеспечения водного баланса:
· Поведенческие - поиски водопоев, выбор мест обитания, рытье нор и т.д. (в норах влажность воздуха приближается к 100 %, что экономит влагу в организме).
· Морфологические – разные образования, способствующие задержанию воды в теле: раковины наземных улиток, ороговевшие покровы рептилий и т.д.
· Физиологические – это способность к образованию метаболической влаги, экономии воды при выделении мочи и кала, развитие выносливости к обезвоживанию организма, величина потоотделения и отдачи воды со слизистых.
Почва
В среднем на 1 кв.м почвенного слоя приходится более 100 миллиардов клеток простейших, миллионы коловраток и тихоходок, десятки миллионов нематод, десятки и сотни тысяч клещей и насекомых, тысячи других членистоногих, десятки и сотни тысяч дождевых червей, моллюсков и других беспозвоночных. Кроме того, 1 кв.см почвы содержит десятки и сотни миллионов бактерий, микроскопических грибов и микроорганизмов. В освещенных поверхностных слоях в каждом грамме обитают сотни тысяч фотосинтезирующих клеток зеленых, желто-зеленых, диатомовых и сине-зеленых водорослей. Живые организмы столь же характерны для почвы, как и ее неживые компоненты.
Рельеф местности и свойства грунта влияют на условия жизни наземных организмов, в первую очередь растений. Свойства земной поверхности, оказывающие экологическое воздействие на ее обитателей, объединяют названием «эдафические факторы среды».
Сложение почвы определяется ее гранулометрическим составом. Различны компоненты почвы: гравий (крупнее 2 мм), крупнозернистые пески (2,0 – 0,2 мм), мелкозернистые пески (0,2 мм – 20 мк), суглинки (20 – 2 мк), минеральные коллоиды – в основном глина (менее 2 мк). Черви наиболее многочисленны в суглинистых и глинисто-песчаных почвах, чем в песках, гравии, глине.
Структура (комковатая, глыбистая, зернистая, и т.п.) почвы влияет на ее аэрацию. Почвы с комковатой структурой проницаемы для воды и хорошо снабжены воздухом, с мелкозернистой – менее проницаемы.
Аэрация почвы. В плотных почвах недостаток кислорода может быть ограничивающим фактором. Животные, живущие на поверхности или в подстилке, менее устойчивы к повышенной концентрации углекислого газа, чем глубинные виды. Весьма устойчивы к углекислому газу термиты, земляные черви.
Соленость. Растительность засоленных почв представлена галофитами (галофилами). Почвенные животные обычно плохо переносят засоление и поэтому почвенная фауна в таких местах практически отсутствует.
Характер корневой системы растений зависит от гидротермического режима, аэрации, сложения, состава и структуры почвы. Например, корневые системы древесных пород (березы, лиственницы) в районах с многолетней мерзлотой располагаются на небольшой глубине и распростерты вширь. У многих степных растений корни могут доставать воду с большой глубины, в то же время у них много и поверхностных корней в гумусированном горизонте почвы, откуда растения поглощают элементы минерального питания. На переувлажненной, плохо аэрированной почве в мангровых зарослях многие виды имеют специальные дыхательные корни.
Рельеф местности и характер грунта влияют на специфику передвижения животных. Например, копытные, страусы, дрофы, живущие на открытых пространствах, нуждаются в твердом грунте для усиления отталкивания при быстром беге. Для наземных обитателей, роющих норы, плотные грунты неблагоприятны.
Факторы питания
Пища – важный экологический фактор. Пища, будучи для животных единственным источником энергии, в случае ее недостатка, может служить ограничивающим фактором. Мелким видам в расчете на единицу веса необходимо больше пищи, чем крупным. Взависимости от качества и количества пищи она способна изменить плодовитость, продолжительность жизни, развитие и смертность животных. Разнообразие пищевых рационов лежит в основе многочисленных морфологических, физиологических и этологических адаптаций.
Влияние на плодовитость (влияние качества пищи). У колорадского жука состав пищи сказывается на плодовитости. Когда самкам дают старые листья картофеля, половина из них прекращает откладку яиц через 3 дня, а через 11 дней она полностью прекращается. Когда начинают давать молодые листья – все восстанавливается.
Влияние на плодовитость (влияние количества пищи). Явление резорбции зародышей – у крыс в случае уменьшения запасов пищи.
Влияние на продолжительность жизни, рост и смертность (влияние качества пищи). Личинки жуков дровосеков, находясь в камбие, богатом крахмалом и другими растворимыми сахарами, заканчивают развитие в течение года, в древесине же почти лишенной крахмала их развитие может затянуться на ряд лет.
Влияние на морфологические характеристики организмов (изменения пищевого рациона). Состав пищи зависит и от стадии развития организма. В соответствии с изменениями пищевого рациона меняется и строение пищеварительного аппарата, ротового отверстия и зубов.
Биотические экологические факторы. Внутривидовые отношения
Биотические факторы (коакции) делятся на два типа:
- гомотипические реакции – взаимодействия между особями одного и того же вида,
- гетеротипические реакции – взаимодействия между особями разных видов.
Гомотипические реакции.
Групповой эффект. Это изменения, связанные с объединением животных одного вида в группы по две или более особей (в основном у насекомых и позвоночных). Он проявляется у очень многих видов, которые могут нормально размножаться и выживать только в том случае, когда представлены достаточно крупными популяциями. При совместной жизни облегчается поиск пищи, борьба с врагами. Например, при групповой охоте волков часто практикуется преследование с выходом на перехват жертвы, нагон жертвы в засаду или захват ее в кольцо, что требует согласованности и координации действий всех особей. Стайность известна для гиен, койотов, и др.
Массовый эффект – уменьшение плодовитости и т.д. в случае перенаселения среды, или т.н. самоограничения. Например, если в муке, в которой живут хрущаки, накапливается некоторое количество экскрементов, мука становится менее качественной, наблюдается уменьшение плодовитости и увеличение продолжительности личиночной стадии. Эффекты обратимы. Они прекращаются, как только хрущак снова оказывается в чистой муке.
Внутривидовая конкуренция. Она проявляется:
1 – в территориальном поведении, когда животное защищает место своего гнездования, как, например, многие птицы и рыбы.
2 – существование социальной иерархии, или появление в популяции особей доминирующих и подчиненных. Ранг животного в группе определяется столкновениями между особями, которые могут иметь характер прямой борьбы или ритуальных угроз. После установления ранга всех членов группы прямые столкновения между ними прекращаются и порядок поддерживается сигнальным или ритуальным поведением. Например, в стадах павианов доминанты могут прибегать к преследованию и укусам, тогда как у горил вожак нередко восстанавливает порядок лишь взглядом или движением головы.
Лидером чаще становится более опытный член стада. Например, стада северных оленей обычно ведут старые важенки. Они лучше других ориентируются при миграциях и нападении хищников, так как периодически им приходится делать это в одиночку: самка для рождения олененка удаляется и несколько дней, пока не окрепнет малыш, вынуждена одна оберегать и защищать его, а затем с ним вместе догонять стадо.
7. Биотические экологические факторы. Межвидовые отношения
Теоретически влияние, которое оказывают друг на друга две особи, живущие совместно, может представляться как:
· нейтрализм – оба вида независимы и не оказывают влияние друг на друга;
· конкуренция – каждый из видов оказывает на другой неблагоприятное воздействие, виды конкурируют в поисках пищи, укрытий, мест кладки яиц;
· мутуализм (симбиоз) – взаимовыгодные отношения - каждый из видов может жить, расти и размножаться только в присутствии другого (лишайник – тесное сожительство гриба и водоросли, бобовые растения с клубеньковыми бактериями, термиты и их кишечные сожители, которые переваривают целлюлозу);
· амменсализм – для одного последствия совместного обитания отрицательны, тогда как другой не получает от них ни вреда, ни пользы. Такая форма взаимодействия чаще встречается у растений. Например, светолюбивые травянистые виды, растущие под елью, испытывают угнетение в результате сильного затенения ее кроной, тогда как для самого дерева их соседство может быть безразличным;
· комменсализм (или нахлебничество) – одностороннее использование одного вида другим – комменсалом (убежище, пища), без принесения ему вреда. Например, взаимоотношения львов и гиен, крупных акул и рыб-прилипал, членистоногих и жителей нор, поселение растений-эпифитов на коре деревьев;
· сотрудничество – когда оба вида образуют сообщество, но оно не является обязательным, т.к. они могут существовать и отдельно. Например, совместное гнездование нескольких видов птиц, актиния, краб и т.д.
· паразитизм – паразитический вид, обычно мелких размеров тормозит рост и размножение своего хозяина, от которого непосредственно и всецело зависит его питание. Паразит может вызвать даже гибель своего хозяина. Иногда организм-потребитель использует живого хозяина не только как источник пищи, но и как место постоянного или временного обитания
· хищничество. Хищник – это любой свободноживущий организм, который питается другими живыми организмами или растительной пищей.
Лекция 3. ПОПУЛЯЦИЯ. БИОЦЕНОЗ. ЭКОСИСТЕМА. БИОСФЕРА
Популяция - совокупность особей одного вида, находящихся во взаимодействии между собой и совместно населяющих общую территорию. Каждый вид, занимая определенную территорию (ареал), представлен на ней системой популяций. Чем сложнее территория (сложный рельеф, густая речная сеть, разнообразные группировки растительности), занимаемая видом, тем больше возможностей для обособления популяций и слабее обмен особями. В горных районах возможностей для обособления популяций больше, чем на открытых пространствах.
Крупные, но немногочисленные группировки - если вид характеризуется постоянным перемещением по территории заселения (северные олени, песцы). Границы между популяциями таких видов проходят по крупным географическим преградам: широким рекам, проливам, хребтам. Бывает одна популяция на небольшом ареале: популяция кавказского тура постоянно кочует по двум хребтам этого горного массива.
Мелкие группировки, многочисленные - если популяции (растений, малоподвижных организмов) постоянно находятся на одной территории. В составе вида формируется множество мелких популяций, отражающих мозаичность ландшафта.
Члены одной популяции оказывают друг на друга не меньше воздействие, чем физические факторы среды или другие обитающие совместно виды организмов: между ними возникают отношения – мутуалистические (симбиоз), конкурентные, возрастные, родственные. Слишком длительная изоляция популяций приводит к образованию новых видов.
Популяции, как групповые объединения, обладают рядом специфических свойств, которые не присущи каждой отдельно взятой особи – основными характеристиками популяций:
1) численность – общее количество особей на выделяемой территории,
2) плотность популяции – среднее число особей на единицу площади или объема занимаемого популяцией пространства;
3) рождаемость – число новых особей, появившихся за единицу времени в результате размножения,
4) смертность – показатель, отражающий количество погибших в популяции особей за определенный отрезок времени,
5) прирост популяции – разница между рождаемостью и смертностью, прирост может быть как положительным так и отрицательным,
6) темп роста – средний прирост за единицу времени.
Биоценоз (сообщество) – группировка совместно обитающих и взаимосвязанных организмов, населяющая более или менее однородный участок суши или водной среды. Биоценоз любого участка состоит из фитоценоза – растений, зооценоза – животных, микробоценоза – микроорганизмов. Термин «биоценоз» чаще употребляют к населению территориальных участков, которые на суше выделяют по относительно однородной растительности, например биоценоз ельника, биоценоз ковыльной степи. В водной среде различают биоценозы, соответствующие экологическим подразделениям частей водоемов, например: биоценозы прибрежных галечных, песчаных или илистых грунтов, абиссальных глубин.
Различают бедные и богатые видами биоценозы:
1. Бедные биоценозы – в полярных арктических пустынях и северных тундрах, в тех биоценозах, которые часто подвергаются каким-либо катастрофическим воздействиям (ежегодное затопление, пахота, применение гербицидов), в искусственно создаваемых в сельском хозяйстве биоценозах – агроценозах.
2. Богатые биоценозы – везде, где условия абиотической среды приближаются к оптимальным в среднем для жизни – в тропических лесах, на коралловых рифах, в долинах рек в аридных районах, в местах контактов лесных и травянистых (опушка леса), водных и сухопутных сообществ (лагуны, побережье) и т.д.
Приспособленность членов биоценоза к совместной жизни выражается в определенном сходстве требований к важнейшим абиотическим условиям среды и закономерных отношениях друг с другом. Каждый вид создает условия для закрепления в биоценозе и других видов, связанных с ним абиотическими факторами (пища, местообитание). Например, суслики, осваивающие новые для них местообитания, могут привлечь туда хищников, для которых они служат привычной добычей, а также привнести около 50 видов своих паразитов и сотни видов норовых сожителей.
Виды, преобладающие по численности, являются доминантами сообщества. Доминанты, которые своей жизнедеятельностью создают среду для всего сообщества и без которых существование других видов невозможно, называют эдификаторами (с латинского – строители). Например, в ельнике – ель, в степях – дерновинные злаки. Редкие и малочисленные виды придают биоценозу устойчивость и обеспечивают надежность его функционирования в разных условиях.
Количественный учет видов в биоценозе ведется с помощью различных показателей:
- обилие вида – число особей данного вида на единицу площади или объема занимаемого ими пространства,
- частота встречаемости – характеризует равномерность или неравномерность распределения вида в биоценозе,
- степень доминирования – показатель, отражающий отношение числа особей данного вида к общему числу всех особей рассматриваемой группировки (если среди 200 птиц, зарегистрированных на данной территории, 50 составляют соловьи, степень доминирования этого вида среди птичьего населения равна 25 %).
Тот участок абиотической среды, которую занимает биоценоз, называют биотопом. Биотоп составляют атмосфера (климатоп) и система почва-грунт (эдафотоп).
Биогеоценоз является совокупностью биоценоза и биотопа, и является объектом изучения науки биогеоценологии. Автор «учения о биогеоценозах» – академик В.Н. Сукачев.
Экосистема – это совокупность совместно обитающих разных видов организмов и условий их существования, находящихся в закономерной взаимосвязи друг с другом. Система, в которой постоянно происходит малый биологический круговорот веществ. Термин предложен в 1935 г. английским экологом А.Тенсли.
С биологической точки зрения в составе экосистемы выделены следующие компоненты:
- неорганические вещества (C, O2, CO2, H2O и др.);
- органические вещества (белки, липиды, гумусные вещества и др.);
- продуценты (в основном зеленые растения) – автотрофные организмы, которые могут производить пищу из простых неорганических веществ;
- консументы – гетеротрофные организмы, потребляющие органическое вещество продуцентов или других консументов и трансформирующие его в новые формы. Организмы, питающиеся только растениями, называют консументами первого порядка. Животные, питающиеся только (или преимущественно) мясом, называют консументами второго порядка.
- редуценты – живут за счет мертвого органического вещества, переводя его вновь в неорганические соединения (микроорганизмы).
Основные типы природных экосистем:
1. Наземные (биомы): тундра, тайга, широколиственные леса, степи, пустыни, саванны, гилеи и др.
2. Пресноводные: реки и ручьи, озера, пруды и водохранилища, болота и болотистые леса.
3. Морские: открытый океан, прибрежные воды шельфа, районы апвеллинга (с продуктивным рыболовством), эстуарии (бухты, устья рек, лиманы), глубоководные рифтовые зоны («оазисы жизни» у гидротермальных выходов на дне Мирового океана, где соединения серы используются хемотрофными бактериями для производства питательных веществ для червей, моллюсков, креветок, крабов, рыб).
Масштабы экосистем в природе чрезвычайно различны:
- микроэкосистемы (разрушающийся пень с его населением),
- мезоэкосистемы (луг, лес, степь),
- макроэкосистемы (континент, океан)
- глобальная экосистема (биосфера Земли).
Экосистемная организация жизни является одним из необходимых условий ее существования. Запасы биогенных элементов, из которых строят тела живые организмы, на Земле в целом и в каждом конкретном участке небезграничны. Лишь система круговоротов могла придать этим запасам свойство бесконечности, необходимое для продолжения жизни. Поддержать и осуществлять круговорот могут только функционально различные группы организмов. Таким образом, функционально-экологическое разнообразие живых существ и организация потока извлекаемых из окружающей среды веществ в циклы – древнейшее свойство жизни.
Биосфера.
Около 5 млрд. лет тому назад сформировалась литосфера. Первый океан (гидросфера) появился приблизительно 4 млрд. лет назад. Наидревнейшие остатки микроорганизмов найдены в горных породах, датированных 3,2 млрд. лет назад. 3 млрд. лет назад температура воздуха достигала 70 град. С и при таких условиях могли существовать только бактерии и сине-зеленые водоросли. Бурное развитие органического мира на Земле, освоение растениями и животными континентов происходило только 0,5 – 0,4 млрд. лет назад. Первые люди примитивного вида появились на Земле 2-3 млн. лет назад.
По Вернадскому, биосфера – это общепланетная оболочка, в состав которой входят:
- нижние слои атмосферы (до 25-30 км, по другим данным – 85 км),
- гидросфера,
- верхние слои литосферы, где температура составляет 100 град. С (в молодых складчатых областях – 1,5 – 2 км, на щитах – 7-8 км).
Б. является следствием взаимодействия ее живых и неживых компонентов, аккумуляции и перераспределения в ней большого количества энергии и является термодинамически открытой, самоорганизованной, саморегулирующейся, динамически уравновешенной, устойчивой, мозаичной, глобальной системой.
Значение организмов для развития планеты обусловлено:
- их разнообразием,
- повсеместным распространением – полностью лишены жизни – области обширных оледенений и кратеры действующих вулканов,
- длительностью существования в истории Земли,
- высокой химической активностью по сравнению с другими компонентами природы.
Кроме того, живое вещество распространено:
- при температуре от абсолютного нуля до 180 град.,
- в условиях вакуума (семена, споры, мелкие животные в анабиозе),
- в кислотах – бактерии, нематоды,
- при радиоактивном излучении в 3 млн. раз превышающем естественное (инфузории), в котлах ядерных реакторов.
Лекция 4 - ЧЕЛОВЕК КАК КОМПОНЕНТ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Человек появился на Земле в результате естественного процесса эволюции, как естественный элемент биосферы, заняв в ней определенную экологическую нишу. На протяжении всей своей истории человек стремился покорить себе природу, расширяя свою экологическую нишу, приспосабливая к себе окружающую среду. Но по мере развития цивилизации, по мере того как он научился использовать богатства Земли, непрерывно возрастала и его зависимость от природных ресурсов.
В силу своей биологической природы человек как организм живет и развивается в результате непрерывного обмена веществом и энергией со средой своего обитания. Человек влияет на природу не только своими процессами обмена веществ, но и трудовой деятельностью.
На первых этапах развития человека обмен веществом и энергией имел простой характер непосредственного потребления человеком созданных природными процессами веществ (воды, воздуха, растительной и животной пищи). По мере развития между человеком и остальной природой возник новый компонент - инструмент или орудие добывание пищи и одежды. Палеолитический человек (каменного века – 2,4 млн. лет) находился в состоянии «гомеостаза» (равновесия) с окружающим его ландшафтом. Эти люди воздействовали на видовой состав и численность животных, но ограниченность технических средств и навыков охоты не позволяла им опустошать окружающую среду. Но в борьбе за пещеры был уничтожен пещерный медведь, а изменение растительность вблизи поселений – выжигание, вытаптывание, сбор съедобных видов, приводило к возникновению антропогенного ландшафта вблизи мест обитания первобытных людей. Полагают, что увеличению площади саванн способствовало выжигание тропических лесов первобытным человеком.
Дальнейшее историческое развитие человека привело к появлению еще одного нового компонента, в качестве промежуточного звена между ним и природой - производства. Сначала это было производство пищи, а затем и производство других предметов, необходимых для все усложняющейся жизни человека. Производство в свою очередь привело к общественной организации, т.е. к появлению человеческого общества.
До середины 20 ст. глобальное давление было незначительным и локальным. Позже отмечается резкий скачок в развитии науки и техники. Это период активного развития локальных и региональных экологических кризисов, стадия широкой химизации, производства пластика.
Связи между человеком и окружающей природной средой могут быть непосредственными (прямыми) и опосредованными через другие компоненты.
Прямое воздействие человека на природную среду - вырубка лесов в бассейне реки приводит к усыханию притоков и снижению уровня грунтовых вод, к уменьшению влажности почвы, снижению уровня воды в реке, куда впадают притоки и в озере, куда впадает река. Строительство плотины в устье реки и ирригационной системы с целью увеличения водности реки и нормального режима увлажнения на полях. Подпор воды плотиной приводит к подтоплению местности, заболачиванию, а ирригация – к засолению. Для борьбы с засолением используются промывки, которые требуют больших расходов воды, что приводит к большим смывам органики и удобрений, усиливающих процессы эвтрофикации.
Опосредованное изменение ОС – в виде цепи реакций, каждая из которых влечет за собой изменение других явлений (в ходе хозяйственных мероприятий) называется опосредованным воздействием на природу. Пример: исчезновение насекомого-опылителя приводит к невозможности опыления растения и его плодоношению, к исчезновению этого вида, и исчезновению животных, связанных с этим растением.
Сумма прямых и опосредованных влияний человечества на окружающую его природную среду называется антропогенным воздействием.
РЕАКЦИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА ВОЗДЕЙСТВИЯ ЧЕЛОВЕКА
Природная окр. среда в своем естественном состоянии является экологически сбалансированной системой. Часто это ее состояние называют нормальным или фоновым.
Экологически сбалансированное состояние ОПС – это такое состояние, при котором отдельные группы организмов, включая и человека, взаимодействуют друг с другом и окружающей их абиотической средой без нарушения равновесия малого биологического круговорота и большого геологического круговорота.
Биосфера – это сложная большая система, состояние которой непрерывно меняется. И может оказаться, что в процессе эволюции ее основные параметры примут такие значения, которые исключат возможность существования цивилизации. Если, например, средняя температура атмосферы упадет на 4-5 градусов, то вся поверхность океанов, за исключением узкой экваториальной полосы, постепенно покроется льдом. А сухость атмосферы будет столь значительной, что даже на оставшихся участках Земли, не покрытых льдом, ни о каком возделывании злаков не может быть и речи. Точно так же повышение температуры на 4-5 градусов грозит человечеству непоправимыми бедствиями.
Таким образом, существование человеческого общества возможно только в достаточно узком диапазоне параметров биосферы. Это означает, что эволюция биосферы, и, прежде всего, ее изменение под действием антропогенных факторов, должна проходить в узкой области ее параметров – область гомеостазиса человечества.
Существует опасность перевести параметры биосферы в такое состояние, когда человеку в ней уже не остается места. Возникает проблема коэволюции человека и биосферы. Коэволюция – совместное развитие человеческого общества и биосферы, которое не выводит параметры биосферы из состояния гомеостазиса.
Природные циклы вещества и потоки энергии на земной поверхности в пределах каждой из геосфер характеризуются в своем естественном состоянии определенными количественными параметрами, зависящими от пространственной неоднородности планеты (суша - море, горы - равнина, природные пояса и зоны) и особенностей геологической структуры земного шара. Набор и количественные характеристики параметров природных процессов и состояний специфичны и статичны в пределах данного геологического периода для каждого элемента земной поверхности в соответствии с их географией.
Параметры состояния природной окр. среды следующие.
Энергетический - E = Es + Ed, где Es - запас энергии в системе в момент времени to, а Ed - энергетический баланс системы за период времени to+^t.
Водный - W = Ws + Wd, где Ws - запас воды в системе в момент времени to, а Wd - водный запас системы за период to + ^t.
Биологический - B = Bs + Bd - Bm, где Bs - биомасса, Bd - биологическая продуктивность, а Bm - минерализация органики.
Биогеохимический - G = Gs + Gdb + Gdg, где Gs - запас химических элементов в системе, Gdb - биологический круговорот веществ, а Gdg - геологический круговорот веществ. Обобщенные параметры состояния окр. среды могут быть количественно определены экспериментальным путем для каждой точки района, крупного региона, ландшафтно-географического пояса, либо земного шара в целом. В этих расчетах необходимо принимать во внимание определенную расчетную площадь и протяженность, и состав соответствующих геосфер по вертикали.
Состояние природной окружающей среды (S) определяется как функция параметров системы в момент времени t.
St = f (Et Wt Bt Gt)
Человек, воздействуя на природные системы, в той или иной степени изменяет емкость, направление, скорость природных процессов, циклов вещества и потоков энергии, меняет экологически сбалансированное состояние окружающей среды, прежде всего изменением одного или нескольких параметров. Поскольку все параметры взаимосвязаны, то изменение одного влечет за собой и изменение всех других, но необязательно изменение системы в целом.
Соответственно оказанному воздействию система противостоит ему. Противодействие окр. среды характеризуется рядом показателей или свойств среды, которые важно учитывать при управлении ею и которые связаны с определенными особенностями среды, как единой системы.
Свойства окр. среды, определяющие её отношение к внешним воздействиям:
Устойчивость среды - ее способность к самосохранению и саморегулированию в пределах, не превышающих определенных критических величин - допустимых пределов изменений.
Эластичность среды - способность окр. среды в некоторых пределах менять свое состояние под влиянием внешних факторов и возвращаться в исходное положение при прекращении их действия.
Инерция среды - способность окр. среды в некоторых пределах противостоять воздействию внешних факторов без изменения своего состояния.
Емкость среды - способность окр. среды адсорбировать без изменения своего состояния чужеродные воздействия внешних факторов (посторонние вещества, избыточную энергию).
Допустимые изменения пределов среды - пределы изменения окр. среды, минимальные и максимальные критические величины параметров состояния среды, внутри которых она обладает устойчивостью и не разрушается.
Состояние окр. среды обобщенно можно характеризовать рядом показателей связанных с ее реакцией на воздействие внешних факторов, включая человеческую деятельность, загрязнение среды и аномалии в среде.
Возмущения в среде - временные, случайные или периодические (циклические) изменения параметров состояния окр. среды, не приводящие к глобальным изменениям ее состояния (эволюции, разрушения). Исторический кумулятивный эффект накопления регулярных возмущений может привести к изменению среды и переход ее в иное состояние или привести к появлению аномалий.
Загрязнение среды - накопление в окр. среде посторонних (поступающих извне или генерируемых самой средой - самозагрязнение) примесей (вещества, энергия, явления) в количествах превышающих природную способность среды к самоочищению от примесей. В частном случае техногенного загрязнения под загрязнением понимают такое антропогенное поступление в геосистему различных веществ и соединений, при которых превышаются пороговые концентрации, а, следовательно, и емкость геосистемы. В более узком смысле под загрязнением обычно понимают антропогенные поступления в среду различных веществ, имеющих вредное воздействие на человека и др. организмы.
Аномалии в среде - локальные устойчивые количественные отклонения от фоновых параметров состояния окр. среды, связанные с местными особенностями той или иной геосистемы.
В совокупности все перечисленные категории характеризуют реакцию окр. среды на воздействие человека. Полнота их учета в практической деятельности определяет успех или неудачу управления окр. средой, поддержку ее благоприятного для человека состояния.
Лекция 8 - ПОНЯТИЕ КРИЗИСА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Экологический кризис это напряженное состояние взаимоотношений между человечеством и природой, характеризующееся несоответствием развития производительных сил и производственных отношений в человеческом обществе с ресурсно-экологическими возможностями биосферы или ее крупных подразделений. Экологический кризис характеризуется не просто и не столько усилением воздействия человека на природу, сколько резким увеличением влияния измененной людьми природы на общественное развитие (эффект бумеранга). От экологического кризиса следует отличать экологическую проблемную ситуацию и экологическую катастрофу. Кризис - обратимое состояние, в котором человек выступает активной действующей стороной. Катастрофа - необратимое состояние, человек тут вынужденно пассивная, страдающая сторона, он не может изменить ситуацию. В более широком эволюционном понимании экологический кризис это фаза развития биосферы, на которой происходит качественное обновление живого вещества (относительно быстрое вымирание одних видов и возникновение других).
В своем эволюционном развитии ОС под влиянием внутренних сил развития или внешних факторов может проходить, и проходила ряд критических точек или находится в них некоторое время. В предыстории и истории человечества выделяют следующие экологические кризисы:
1. Доисторическое и доантропогенное изменение среды обитания живых существ, вызвавшее возникновение прямоходящих антропоидов - непосредственных предков человека.
2. Относительное обеднение доступных примитивному человеку ресурсов промысла и собирательства, обусловившее стихийные биотехнические мероприятия типа выжигания растительности для ее лучшего и более равномерного роста.
3. Первый антропогенный экологический кризис - массовое уничтожение (перепромысел) крупных животных - кризис консументов, связанный с последовавшей за ним сельскохозяйственной экологической революцией.
4. Засоление и деградация почв в результате примитивного поливного земледелия, приведшее в последствии к развитию в основном неполивного земледелия.
Вавилон был основан в 19-м веке до нашей эры, а просуществовал до 7-го века до нашей эры. Гибель Вавилонского царства – следствие неумелого хозяйствования. Хозяйство Вавилонии базировалось на системе ирригации междуречья Тигра и Ефрата, причем избыточные воды сбрасывались в море через Тигр. В 582 г. до н.э. Навуходоносор скрепил мир с Египтом женитьбой на египетской царице. Вместе с царевной в Вавилон прибыла ее свита из образованных египтян. Египтяне, имевшие богатый опыт строительства ирригационных сооружений для орошения земель в долине Нила, предложили построить канал и увеличить площадь орошаемых земель в междуречье Тигра и Ефрата. Вода оросила земли, подстилаемые засоленными грунтами. Началось вторичное засоление почв. Вода в Ефрате, откуда ее брали в новый канал, стала течь медленнее, что вызвало отложение осадков в старой ирригационной сети. Она стала выходить из строя. К началу новой эры от города остались лишь руины. Все ближе к городам и селениям подступали пустыни. Как отмечает французский исследователь Ф.Шатобриан, леса предшествовали человеку, а пустыни следовали за ним. Как предупреждение потомкам звучит иероглифическая надпись на пирамиде Хеопса: «Люди погибнут от неумения пользоваться силами природы и от незнания истинного мира».
5. Массовое уничтожение и нехватка растительных ресурсов (кризис продуцентов). Этот кризис опосредованно вызвал широкое вовлечение минеральных ресурсов, промышленную, а затем и научно-техническую революцию.
Например, Еще в начале первого тысячелетия до нашей эры горы Греции были покрыты лесами, а в 4 веке до н.э. корабельный лес рос только в горной Аркадии и за пределами Греции – в Македонии, Фракии, Италии. Леса вытеснялись полями, садами, виноградниками, весьма велика была потребность в лесе для кораблестроения и в древесном угле для метеллургии. Сведение лесов привело к эрозии почвы, особенно на склонах. Козы, поедая побеги молодых деревьев, сводили на нет возможность естественного восстановления лесов. Смыв почв с горных склонов коренным образом изменил облик девственных ландшафтов – Средиземноморье называют областью «оскальпированных почв».
В железном веке «люди стали рыться в недрах земли, ища в ней сокрытых сокровищ. Лишь только были добыты железо и золото, как тот час же родилась Распря, и вскоре повсюду стало раздаваться бряцание оружия» (Овидий). Цицерон проповедовал утилитарное отношение человека к природе: «Неужели мир создан для деревьев, травы и зверей? Господство над земными благами у человека полное. Человеческий разум проник в самое небо». Но покорение природы в Древнем Риме обернулось обострением экологических проблем. Основной причиной деградации природы оставались чрезмерный выпс скота, вырубка лесов, распашка горных склонов, урожаи с полей становились все меньше.
На рубеже 13-14 веков экологическая ситуация в Европе усложняется. Возможности экстенсивного пути развития земледелия оказались исчерпанными. Продолжалось интенсивное сведение лесов не только под земледелие, но и для строительства домов, кораблестроения, ради топлива, развития металлургии.
6. Современный кризис угрозы недопустимого глобального загрязнения (кризис редуцентов).
Почти одновременно с этим кризисом наступают два других экологических напряжения:
1) термодинамическое, связанное ограничениями производства энергии в приземном слое Земли. Решение - максимальная экономия энергии и переход к источникам, почти не добавляющим тепло в приземный слой атмосферы,
2) снижение надежности крупных экосистем, связанное с нарушениями природного экологического равновесия. Решение – широкомасштабное экологическое планирование и регулируемое использование природных экосистем, оптимизация соотношений естественных и преобразованных человеком сообществ.
На территории нашей страны экологический кризис начал проявляться еще с середины 50-х годов. Именно это время можно считать началом безконтрольного периода эксплуатации природы, а, значит, и ее загрязнения. Ежегодно в природный круговорот вводилось почти 1,5 млрд. тонн первичного сырья. Это почти 30 тонн на каждого гражданина Украины. Вследствие этого объем накопленных отходов от добывающей, энергетической, металлургической и некоторых других отраслей промышленности составляет уже почти 15 млрд. тонн. Намного больше их попало в воду и воздух. Причина этого – отсутствие природоохранных законов и устаревшие технологии. К тому же – одна из наибольших в мире распаханность земель, бесконтрольное использование большого количества пестицидов, две трети которых имеет четкий мутагенный эффект. И это в условиях, когда более 40 % всех сельскохозяйственных угодий имеют слабую способность к самоочищению, то есть способствуют накоплению ядовитых веществ в жизненно важном слое почвы. Все это усиливается аварийным состоянием канализационных систем. Вследствие этого заметно ухудшилось состояние здоровья населения Украины, нарушились природные процессы.
Лекция 9 - ГЛОБАЛЬНЫЙ И ЛОКАЛЬНЫЙ ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ КРИЗИС
В зависимости от параметров состояния ОС выделяют такие состояния:
Нормальное состояние среды - экологически сбалансированное естественное состояние ОПС, соответствующее совокупности природных условий и природных величин параметров состояния данной территории. В нормальном состоянии среды имеется некое экологическое равновесие взаимодействия с ней человека, не ведущее к существенному изменению среды или самого человека.
Аномальным (нарушенным) состоянием среды можно назвать такое, при котором один или несколько параметров состояния достигают величин, отклоняющихся от фоновых характеристик данной местности, или же нарушающие некоторые свойства среды, например эластичность или емкость. В аномальном состоянии окр. среда не теряет своей системной целостности, но приобретает характеристики экологически несбалансированной системы и может оказывать вредное воздействие на человека либо не удовлетворять его потребности, если не принимать специальных мер, противодействующих этим вредным влияниям или нейтрализующих их.
Кризисное состояние среды наступает в случае, когда параметры состояния приближаются к допустимым пределам изменений, переход через которые влечет за собой потерю устойчивости системы и ее разрушение. Кризис окружающей среды может быть следствием возмущений, загрязнений или аномалий в среде при достижении пороговых величин изменений.
Разрушение среды - это такое состояние окр. среды, при котором она становится непригодной для обитания человека или использования в качестве природного ресурса.
Различают глобальный экологический кризис и локальные кризисные состояния окр. среды.
Даже не поводя сложных расчетов можно проанализировать изменения параметров в глобальном масштабе за какой-то обозримый период времени, а, следовательно, и проследить их изменения. Рассмотрим общие закономерности, произошедшие с каждым из ведущих параметров.
За исторический период общий характер энергетики планеты остался прежним, поскольку энергетический баланс Земли поддерживается солнечной постоянной, а общий запас энергии практически не исчерпаем. Изменения касаются лишь запасов энергии аккумулированных в прошлые эпохи в биомассе, почвенном гумусе, органогенных породах (горючие ископаемые). С одной стороны имело место расходование и рассеивание аккумулированных запасов энергии (уничтожение лесов, разрушение почвенного покрова, сжигание ископаемого топлива), а с другой - перераспределение запасов на земной поверхности (исчерпание их в одних точках планеты и аккумуляция в других, например в городах в виде продуктов производства).
Таким образом, в целом энергетический параметр планеты не свидетельствует о глобальном экологическом кризисе, хотя в отдельных точках проявляется кризисная ситуация, поскольку для нас важно не общее количество энергии, а количество доступной энергии в определенной форме. На планете очень много источников энергии, использовать которые мы не научились или используем слабо (ветер, солнце, термальная энергия и т.д.). Это позволяет утверждать, что энергетический кризис понятие более социально-экономическое и техническое, чем природное, что он может возникать в определенные периоды как временное явление и не может отражать состояние природы в целом.
Водный параметр в целом также изменился мало. Общее количество воды, в том числе и свободной на Земном шаре стабильно. Однако отдельные виды воды претерпели существенные изменения. Соленая вода Мирового океана (97 % всей свободной воды) практически не изменилась за историческое время ни в количественном, ни в качественном отношениях, если не считать относительно небольших изменений близ побережий. Нет существенных изменений и в воде ледников Антарктиды и Гренландии, а это еще 2% поверхностных вод. Незначительные колебания ледниковых покровов в горных системах не меняют общей картины. Но пресные воды суши, составляющие всего 1% имеют жизненно важное значение для человека и всей биосферы в целом. Именно они претерпели существенные изменения, связанные с человеческой деятельностью. Резко выросло загрязнение воды - около 16% речного стока.
Изменилась гидрология суши - иссякание многих мелких рек и водоемов, зарегулирование рек, изменение поверхностного стока, как следствие рубки лесов, осушение болот и т.д. В ряде мест произошло резкое изменение статей водного баланса суши.
Соответственно в ряде точек земного шара возникла кризисная ситуация в отношении водного параметра. Есть основания считать, что в глобальном отношении ситуация с пресной водой если не стала еще кризисной, то приближается к ней и требует неотложного принятия соответствующих мер. Все же, если рассматривать изменения водного параметра в целом, то нет никаких оснований говорить о глобальном кризисе, хотя в отдельных точках, как и в случае с энергетикой наблюдаются кризисные явления.
Существенные изменения претерпел биологический параметр, причем в обоих своих составляющих. Запас биомассы на Земной поверхности резко снизился. С неолита в начале, которого стало развиваться экстенсивное животноводство и подсечно-огневая система земледелия, человечество за 10 тыс. лет сократило площадь лесов в 2 раза. Причем особенно бурно этот процесс шел последние 350 лет, что привело к тому, что общие запасы фитомассы за исторический период снизились более чем на 1/4. Есть все основания полагать, что этот процесс ускоренными темпами идет и сейчас. Что касается биологической продуктивности, то здесь также наметилось явное снижение. На 10% суши биологическая продуктивность полностью уничтожена, т.е. они переведены в пустоши, а еще на 10-15% значительно снижена. Если это еще и не глобальный экологический кризис, то, во всяком случае, явные его симптомы. При этом имеются в виду глобальные функции растительного покрова планеты в целом - аккумуляция и трансформация солнечной энергии, продуцирование кислорода, начало всех биосферных процессов.
Геохимический параметр состояния ОС также претерпел существенные изменения, особенного в отношении биологического и геологического круговоротов веществ. Общее содержание всех химических элементов на Земле практически неизменно, однако их распределение между различными геосферами и по поверхности Земного шара, регулируемое глобальными биологическими и геохимическими циклами, подвергается существенным изменениям под влиянием человека.
Природный биологический круговорот веществ был нарушен человеком на огромной площади, достигающей чуть не половины всей площади суши: антропогенные пустыни - 5%, антропогенный бленд - 3%, индустриальные и городские земли, пашни сады, сеяные луга - 13, вторичные низко продуктивные леса - 15, истощенные пастбища - 10, всего около 48% площади суши или 60% всей биологически продуктивной поверхности суши (исключая ледники, скалы, пустыни).
Геологический круговорот веществ также был нарушен в заметной степени особенно в некоторых точках планеты. В этом отношении существенную роль сыграли следующие факторы:
1. Ускоренная денудация земной поверхности за счет сельскохозяйственной эрозии почвенного покрова и возрастания твердого стока,
2. Перемещение огромных масс земной коры (согласно А.М. Рябчикову, при перепашке полей, строительных и вскрышных работах за один только год перемещается свыше 4 тыс. кубических километров почвы и грунта).
3. Извлечение из недр огромных количеств горючих ископаемых (нефти, угля, газа) и перевод их в конечном итоге в углекислоту атмосферы.
4. Извлечение из недр огромных количеств руд и др. материалов.
5. Перераспределение солей в почвах, грунтах и речных водах под влиянием орошаемого земледелия.
6. Поступление на поля минеральных удобрений и ядохимикатов.
7. Загрязнение среды сельскохозяйственными, индустриальными и коммунальными отходами.
8. Поступление в среду новых веществ, не существующих в естественном состоянии в природе.
9. Рассеивание в техногенезе геохимических тех или иных элементов, веществ.
Особую роль в нарушении биохимических и геохимических циклов и изменений биогеохимического параметра планеты сыграли загрязнения окружающей среды как вещественные, так и энергетические. Поступление в окружающую среду инородных вещественных загрязнителей во многих точках планеты уже дано превысило пороговые значения самоочищения среды. Именно это явилось одной из причин массового распространения концепции глобального экологического кризиса.
Таким образом, изменения параметров состояния природной окр. среды в глобальном масштабе позволяют заключить, что глобального экологического кризиса, т.е. критического нарушения условий существования человека и др. организмов на планете пока нет. В тоже время есть основания говорить о нарушенном, аномальном состоянии среды, которое может перейти в кризисное в случае непринятия человечеством необходимых превентивных мер.
Аномальное нарушенное состояние среды появилось отнюдь не случайно и не внезапно. В истории человечества хорошо известны локальные нарушения вплоть до кризисных, когда гибли целые цивилизации. Однако обще нарушение окр. среды в глобальном масштабе на протяжении тысячелетий развивалось медленно и резко обострилось лишь в ХХ веке, особенно во второй его половине. Помимо того, что количественные изменения накапливаются, происходит качественный скачок и этому есть ряд причин.
