Основи екології

Сонячна радіація для рослин є джерелом енергії для фотосинтезу, викликає зміну форм росту та служить сигналом для переходу з однієї фази розвитку до іншої.

Для більшості тварин світло при розвинутих органах зору забезпечує орієнтацію в просторі. У людини та деяких тварин тільки під дією світла відбувається синтез вітаміну Д.

Вода. У всіх організмів основну масу тіла складає вода. Тіло людини на 75-60% складається з води: у новонароджених - до 75%, у людей похилого віку - до 60%. Є організми , які мають в своєму складі до 98% води. Особливо важливим для екосистеми є кількість опадів, що визначає навіть тип екосистеми. При опадах менше 250 мм за рік розвиваються пустельні екосистеми, при опадах до 750 мм за рік - степи, лісостепи, при 750-1250 мм - формуються субтропічні ліси, а при опадах більше 1250 мм за рік - вологі тропічні ліси.

Водний режим екосистеми визначається не тільки кількістю опадів, але й співвідношенням їх до режиму випаровування води. Залежно від пристосованості до життя в тих чи інших умовах зволоженості рослин поділяють на гідрофіти, мезофіти та ксерофіти.

Вода має значення і при охолодженні живих організмів (випаровування з поверхні).

Газовий склад повітря. Для живих організмів основне значення має кількість вуглекислого газу та кисню в повітрі. Вуглекислий газ є джерелом вуглецю для рослин при синтезі органічної речовини. Важливе і загально кліматичне значення вуглекислого газу в атмосфері. Він прозорий для основного потоку сонячної радіації, але погано пропускає теплове інфрачервоне випромінювання від нагрітого грунту і інших предметів. Тому вуглекислий газ є своєрідним термостатом планети. При зростанні його вмісту в атмосфері відбувається потепління клімату, а при зниженні - похолодання.

Кисень - незамінний окислювач для всіх аеробних організмів, з допомогою якого організми окислюють поживні речовини в організмі і отримують енергію, що забезпечує їх життєдіяльність.

Грунт як біокосний елемент екосистеми

Засновником учення про грунт як біокосне тіло вважається В.В.Докучаєв. Він визначав грунт як природно-історичне тіло, що утворюється під впливом клімату та живих організмів із геологічних порід. Найголовніше в його визначенні це наголос на те, що без живих організмів грунту бути не може.

Для утворення грунту необхідно 5 головних факторів:

1. Наявність материнської гірської породи, яка виступає як матеріальне джерело формування грунту;

2. Наявність живих організмів;

3. Рельєф місцевості, який впливає на характер трансформації гірської породи живими організмами і тип грунту, що формується;

4. Клімат;

5. Час, оскільки ґрунтоутворення є досить повільним процесом.

Центральним фактором ґрунтоутворення все ж таки є живі організми. Саме вони в сукупній дії з іншими факторами утворюють зовсім нове біокосне тіло - грунт.

Екосистемні функції грунту різноманітні, але основні дві:

1. Грунт забезпечує рослини поживними речовинами та водою і тільки на

грунті автотрофні зелені рослини повністю розкривають свій потенціал синтезу органічних речовин;

2. Грунт є місцем мінералізації відмерлих решток та продуктів життєдіяльності живої речовини.

Грунт може підсилювати дію окремих абіотичних факторів, видозмінювати цю дію, а то й гасити її (чорноземи України здатні знижувати вплив атмосферної посухи за рахунок великої водоутримуючої здатності гумусу). Велике значення має нейтралізуюча роль грунту.

Структура грунту складна, але в більшості типів виділяються гумусний горизонт, де зосереджена основна маса органічної речовини і горизонт, що утримує в основному мінералізовані речовини, перемішані з перетвореною гірською породою.

Життя в грунті

Грунти досить специфічна частина екосистеми і вони мають специфічне тваринне населення.

Грунт - основне середовище, де розташовані корені рослин, середовище, куди надходить весь рослинний опад та трупи померлих тварин екосистеми, середовище, де зосереджена основна маса редуцентів будь-якої наземної екосистеми.

Крені рослин розміщуються в грунті на різних глибинах, але основна маса їх знаходиться в гумусному горизонті. Корені в грунті живуть. Діяльність їх полягає в постійному поглинанні з грунту води за рахунок різниці осмотичного потенціалу в клітинах кореня і у грунтовому розчині та постійному поглинанні хімічних речовин.

Добування рослинами поживних речовин з твердої фази грунту здійснюється за рахунок двох механізмів:

1. Корені реалізують видільну функцію ( з живих коренів у грунт безперервно надходять органічні кислоти, що забезпечує розчинення грунтових солей та роз'їдання мінералів).

2. Корені живуть у сполученні з грунтовими мікроорганізмами ( оселяючись навколо коренів, мікроорганізми утворюють особливу зону грунтового життя - ризосферу) - азот фіксуючі, силікатні. Сапрофітні мікроорганізми ризосфери активно руйнують органічну речовину грунту.

Тваринне та мікробне населення грунту представлене консументами різних рівнів та мікроорганізмами - редуцентами. Їхня діяльність являє собою сумісну роботу в процесах гуміфікації та мінералізації органічної речовини, що надходить до грунту. Тому грунтове населення - така ж закономірна цілісність як і наземна.

Живі організми в екосистемах

Кожна екосистема відрізняється своєрідним потоком енергії та колообігом речовин. Ці процеси опосередковані наявністю в екосистемах живих організмів. Сукупність всіх живих організмів екосистеми називають біоценозом. У сучасній екології біоценозом називають групу організмів різних видів, що співіснують на одній і тій же ділянці території та взаємодіють між собою за рахунок трофічних зв'язків, або просторових.

Серед структур біоценозу виділяють три види:

- видову, що розкриває видове різноманіття живих організмів;

- трофічну, що демонструє характер харчових взаємин між організмами біоценозу;

- просторову, що показує територіальне розміщення рослин, тварин та мікроорганізмів.

Видовий склад біоценозу може бути досить різноманітним. Але його формування підкоряється одному загальному правилу: у природному біоценозі обов'язково повинні бути продуценти, консументи та редуценти. Без такого поєднання організмів із різним типом живлення будь-який біоценоз не може існувати.

Біоценози характеризуються цілком визначеним видовим складом організмів. Залежно від систематичної належності організмів біоценози розділяються на:

* Фітоценози, що утворені рослинами;

* Зооценози, що являють собою сукупність усіх тварин екосистеми;

* Мікробоценози, що сформовані мікроорганізмами, які населяють земляну частину екосистеми.

Цілісність біоценозів зумовлена дією ряду механізмів, але головні серед них - два:

- перший полягає в тому, добір видів в біоценоз будь-якої екосистеми йде на основі спільності їх екологічних вимог щодо середовища;

- другий механізм полягає в наявності коадаптацій рослин та тварин щодо спільного життя.

Співмешкання видів в одному ценозі є результатом того, що один вид потрібен іншому так, що без нього він не може існувати (фітофаги не можуть існувати там, де нема відповідних рослин; рослини, запилювані комахами, не можуть існувати там, де нема цих комах). В результаті цього в кожному біоценозі набір видів рослин та тварин не випадковий, а закономірний.

Форми зв'язків між організмами в біоценозі різноманітні. Основні із них:

1. Топічні зв'язки, що виникають за рахунок того, що один організм своєю життєдіяльністю змінює середовище в бік, сприятливий для інших організмів. Наприклад, сфагові мохи підкислюють грунтовий розчин і створюють сприятливі умови для засенення цих боліт рисичкою, журавлиною та іншими рослинами, характерними для боліт Полісся України.

2. Трофічні зв'язки полягають у тому, що особини одного виду використовують інший вид, продукти його життєдіяльності, або мертві залишки як джерело їжі. Наприклад, тільки на основі трофічних зв'язків лелеки належать до складу водно-болотистих ценозів, а лосі населяють в основному осикові ліси.

3. Фабричні зв'язки - зв'язки, при яких особини одного виду використовують особин іншого виду чи їхні частини тіла для побудови необхідних їм гнізд, або схованок.

4. Форичні зв'язки - забезпечують перенесення особин одного виду особинами іншого виду.

У природі спостерігаються як тривалі біоценози так і короткочасні ( біоценоз дубового лісу і біоценоз пшеничного поля).

Принципи функціонування екосистем (за Б.Небелем)

Перший принцип. Одержання ресурсів і позбавлення від відходів відбувається в рамках коло обігу усіх хімічних елементів.

Другий принцип. Екосистеми існують за рахунок сонячної енергії, яка не забруднює середовище, практично вічна і кількість якої відносно стала й надлишкова.

Третій принцип. Чим більша маса популяції, тим нижчим має бути трофічний рівень, який вона займає.

Людина своїм життям і своєю діяльністю порушує всі три принципи функціонування екосистем, змінюючи колообіг хімічних елементів, використовуючи як джерело енергії корисні копалини і забруднюючи довкілля відходами і збільшуючи чисельність людської популяції, справляючи тим самим тиск на природне середовище і порушуючи природну рівновагу між компонентами біосфери.

Цілісність і стійкість екосистем забезпечується:

- колообігом хімічних елементів;

- використанням сонячної енергії;

- передачею енергії по ланцюгам живлення.

Стійкість екосистем забезпечується рівновагою популяцій, яких в екосистемі може бути сотні чи тисячі. У свою чергу, рівновага популяцій залежить від співвідношення біотичного потенціалу і опору середовища, які діють у протилежних напрямах.

Біотичний потенціал - це сукупність чинників, які сприяють збільшенню чисельності популяції:

- параметри довкілля в зоні оптимуму;

- здатність розширювати свій ареал;

- достатня кількість їжі;

- поповнення статевозрілого складу за рахунок потомства;

- велика швидкість розмноження.

Опір середовища - чинники, що протидіють збільшенню чисельності популяції:

- нестача їжі;

- несприятливі умови життя;

- розмноження хижаків;

- поширення хвороботворних бактерій;

- низька репродуктивна здатність;

- нездатність адаптуватися до змін зовнішнього середовища.

Оскільки кожна популяція прагне збільшити свою чисельність, вона використовує для цього обидва механізми: збільшує біотичний потенціал і зменшує опір середовища. Зменшення опору середовища зумовлює популяційні вибухи - різке зростання чисельності окремої популяції. З іншого боку, несприятливі умови середовища спричиняють масову загибель певної популяції.

Структурні особливості екосистем є результатом їхнього розвитку. Окремим випадком еволюції екосистем є сукцесія.

Сукцесія - послідовна зміна біогеоценозів (екосистем) на одній і тій же території під впливом природних факторів або діяльності людини. Початковою точкою такого розвитку при розгляді сукцесій зручно вважати ділянки, які повністю не заняті будь-якими живими організмами (поля лави, оголення грунту після зсуву, свіжі річкові наноси і т.п.).

Є первинна сукцесія - процес розвитку і зміни на раніше незаселених ділянках, що починається з їх колонізації (поява лишайника на скелях, подальше руйнування гірської породи).

Вторинна сукцесія - відновлення існуючої на певній території екосистеми (після вогню, вирубування лісів).

Основними природними екосистемами землі є:

Суходоли:

- Тундра;

- Хвойні ліси помірної зони;

- Листяні ліси помірної зони;

- Степи;

- Тропічна та субтропічна злакова рослинність;

- Савана;

- Пустелі;

- Вічнозелений тропічний вологий ліс;

- Болота;

- Луки.

Екосистеми водойм;

- Стоячі водойми: озера і ставки;

- Екосистеми текучої води: річки і струмки;

- Екосистеми континентального шельфу (прибережні території океану до глибини приблизно 200 м, багаті на рослинний і тваринний світ).

- Естуарії - затоплена дельта ріки, що має безпосередній вихід у відкрите море чи океан ( прісна вода розтікається по поверхні естуарію, а солона вода опускається вниз).

Для характеристики екосистем застосовують поняття «біологічна продуктивність» - це кількість органічної речовини (рослинної і тваринної біомаси, створеної екосистемою за одиницю часу на одиницю площі (грам на метр квадратний за добу, або кілограм на метр квадратний за рік).

Розрізняють первинну біологічну продукцію, яку створюють рослини, і вторинну, яку створюють гетеротрофи ( консументи в результаті переробки рослинної і тваринної біомаси.

За продуктивністю екосистеми поділяють на:

- екосистеми найвищої продуктивності (тропічні вологі ліси) - 2000-3000 г/м² зарік;

- екосистеми високої продуктивності (листяні ліси помірної зони та луки) - 1000-2000 г/м² за рік;

- екосистеми помірної продуктивності ( степи та чагарники) - 250-1000 г/м² за рік;

- екосистеми низької продуктивності (пустелі, напівпустелі, тундра) - менше 250 г/м² за рік.

Середня біологічна продуктивність біосфери не перевищує 300 г/м² за рік, тобто за площею переважають низькопродуктивні екосистеми пустель і океанів.

Тема: Біологічна продуктивність

Мета: Досягнути розуміння студентами головної функції живої речовини, значимості харчових зв'язків і форм взаємодії живих організмів для забезпечення стабільності і стійкості біосистем.

Контрольні питання теми

1. Автотрофне та гетеротрофне живлення, Біохімічні процеси автотрофного живлення.

2. Біологічна продуктивність, міра її, первинна та вторинна біологічна продукція, біомаса.

3. Трофічні ланцюги (продуценти, консументи, редуценти), значення їх в потоці енергії в Біосфері.

4. Трофічні рівні. Екологічні піраміди, види їх.

5. Екологічний контроль продуктивності, вплив абіотичних факторів на біологічну продуктивність

6. Ценотичний контроль продуктивності, форми взаємодії між живими організмами.

7. Стабільність та стійкість екосистем, основні категорії біологічного різноманіття, екологічний резерв екосистеми.

8. Стратегії виживання живих організмів: уникнення (ухилення) та адаптація, значення їх.

Все живе створюється в результаті біопродуційного процесу та є наслідком життєдіяльності організмів: живлення та розмноження рослин, тварин та мікроорганізмів.

Автотрофне та гетеротрофне живлення

Живі організми при багатьох рисах подібності не схожі стосовно способів створення органічної речовини та джерел отримання сировини та енергії, що необхідні для цього процесу.

При всьому розманітті живих істот реалізується два докорінно різних типа живлення: автотрофне та гетеротрофне. Організми з автотрофним типом живлення використовують для побудови свого тіла неорганічні сполуки, перетворюючи їх в органічні сполуки за рахунок зовнішніх видів енергії. Організми з гетеротрофним живленням не здатні самостійно синтезувати органічну речовину, вони отримують її в готовому вигляді, перетворюючи у специфічні органічні речовини свого тіла.

У суто хімічному плані автотрофне живлення полягає в утворенні молекул органічних сполук з окремих атомів хімічних елементів, або простих молекул неорганічних сполук. Зелені рослини а ході процесу живлення з вуглекислого газу та іонів мінеральних речовин утворюють макромолекули органічних речовин. Це вимагає обов'язкового притоку енергії, без якої автотрофне живлення неможливе.

В процесі еволюції у живих організмів з автотрофним типом живлення виробилися два біохімічних механізми, які забезпечують їх енергією. Це фотосинтез та хемосинтез.

Фотосинтез - процес утворення органічних речовин за рахунок використання енергії сонячної радіації. У фотосинтезуючих організмів для поглинання сонячної радіації сформувався комплекс пігментів, головним серед яких є хлорофіл. Він має здатність поглинати кванти сонячної енергії та направляти їх на синтез органічної речовини. Хлорофіл має зелений колір і тому вся група живих організмів, які мають хлорофіл, складають світ зелених рослин.. Усі зелені рослини є автотрофами, і всі вони використовують енергію сонця для забезпечення свого живлення. Процес фотосинтезу веде і до накопичення енергії (470 кДж/моль) в органічній речовині у вигляді енергії хімічних зв'язків, у яку перейшла вільна промениста сонячна енергія в процесі фотосинтезу.

Важливо, що в процесі фотосинтезу виділяється і кисень. Вважається, що первинна атмосфера нашої планети носила відновлювальний характер. До її складу входили азот, окис вуглецю, водень та інші гази. Надходження кисню до атмосфери Землі почалося тільки з появою зелених автотрофних рослин (3 млрд. років тому).

Хемосинтез - також процес утворення органічної речовини, але з використанням енергії хімічних реакції. Хемосинтез ведуть тільки мікроорганізми. Цей процес був відкритий С.М.Виноградським. Як джерело енергії хемотрофи використовують прості неорганічні сполуки сірки, заліза або азоту, які при окисленні дають вільну енергію. Відповідно мікроорганізми називаються сіркобактерії, залізобактерії або азотобактерії.

Гетеротрофне живлення принципово відрізняється від автотрофного тим, що організми, які реалізують його, будують своє тіло за рахунок готових органічних сполук. Енергію, необхідну для засвоєння та перетворення цих речовин, вони отримують за рахунок окислення частини цих же органічних сполук. Тому біопродуційний процес гетеротрофних організмів не веде до збільшення живої речовини в біосфері. Він тільки збільшує різноманіття форм живої матерії.

Продуційний процес.Постійна присутність живої матерії в екосистемах забезпечується безперервним процесом оновлення живої речовини, її синтезом. Процес продукування живої речовини, що здійснюється в ході живлення, є центральною екосистемою функцією життя. ЇЇ прийнято називати біологічною продуктивністю. У біологічній продуктивності беруть участь усі живі організми і цим вони роблять свій внесок у підтримку існування біосфери.

Мірою біологічної продуктивності є величина продукції біомаси, яка створюється за одиницю часу, віднесеної до одиниці площі, або об'єму простору (кв.м та куб.м).

В екології розрізняють первинну та вторинну біологічну продукцію, Первинна продукція - це частина живої речовини, що створюється завдяки діяльності організмів з автотрофним типом живлення.

Вторинна продукція складається з органічних речовин, що утворюються при гетеротрофному типі живлення, вона завжди менша за об'ємом, ніж первинна.

У сукупності жива речовина автотрофних та гетеротрофних організмів складає біомасу. Можна говорити про біомасу окремого організму, того чи іншого виду, про біомасу окремих екосистем та біосфери в цілому. ЇЇ вимірюють в одиницях маси (сухого залишку) на одиницю поверхні (кг/кв.м, т/кв.км). У зв'язку з тим, що біомаса формується в результаті процесу живлення, спорідненого зі зв'язуванням енергії для оцінки розміру біомаси придатні й енергетичні одиниці ( джоулі, калорії).

Трофічні ланцюги та трофічні рівні

Одними з центральних зв'язків між живими організмами екосистеми є харчові, або трофічні. Харчові зв'язки об'єднують між собою організми за принципом «їжа - споживач». В екосистемах цими зв'язками охоплюються всі живі організми. Це призводить до виникнення трофічних ланцюгів. На початку кожного трофічного ланцюга знаходиться автотрофна жива рослина, що здійснює фотосинтез ( у меншій мірі первиний синтез органічної речовини ведуть хемосинтезуючі мікроорганізми). Ця група організмів називається продуцентами.

Продуценти - (автотрофи) - організми, переважно зелені рослини, які з вуглекислого газу і води продукують органічну речовину, використовуючи для процесу фотосинтезу сонячну енергію і виділяючи кисень. Вони накопичують рослинну біомасу. Рослини називають фототрофами.

Є організми, що також синтезують органічну речовину із вуглекислого газу і води, але використовують енергію, що виділяється при хімічних реакціях. Вони дістали назву хемотрофи.

Далі в трофічному ланцюзі йдуть консументи (гетеротрофи) - це організми, що використовують готові органічні сполуки, як джерело їжі та енергії, Відповідно до способу живлення консументи поділяють на:

- Первинних консументів, якими називаються усі рослиноїдні організми (фітофаги). Їхня їжа - це рослинна біомаса. У процесі живлення вони перетворюють її у нову форму, в органічні речовини свого тіла, збільшуючи тим самим біологічне різноманіття. (Корова, кріль, колорадський жук у цьому розумінні займають однакову екологічну позицію. Вони первинні консументи.)

- Вторинних консументів (м'ясоїдних або хижаків), які споживають тваринну їжу. Основними представниками цієї групи є хижаки та тварини, що живляться мертвими організмами. До консументів відносяться також і паразити, які живуть за рахунок хазяїна.

Редуценти - (детритофаги) - організми, що також споживають готові органічні сполуки, але мертвих решток ( опале листя, коріння, гілочки дерев - детрит, трупи та продукти життєдіяльності тварин). Це гриби, бактерії, найпростіші, черви, раки. Органічні речовини ними сильно спрощуються та, в свою чергу, стають їжею для грунтових мікроорганізмів та грибів, які завершують деструкцію і мінералізацію органічних речовин. Завдяки їхній діяльності знов утворюються форми, доступні для живлення рослин. Це санітари, що очищають екосистему від сміття і замикають ланцюг колообігу хімічних елементів.

Розглянуті групи організмів, кожна з яких виконує свою екосистемну функцію, відповідно складають так звані трофічні рівні.

Трофічний рівень - це сукупність організмів, які дістають перетворену на їжу енергію сонця і хімічних реакцій (від автотрофів) через однакову кількість посередників трофічного ланцюга.

- Перший трофічний рівень - отримують енергію без посередників - продуценти.

- Другий трофічний рівень - первинні консументи (травоїдні організми). Вони отримують енергію через одного посередника - зелені рослини.

- Третій трофічний рівень - вторинні консументи (хижаки) і паразити первинних консументів. Вони отримують енергію через двох посередників - травоїдні тварини і зелені рослини.

- Четвертий трофічний рівень - вторинні хижаки і паразити вторинних консументів. Отримують енергію через трьох посередників.

- П'ятий рівень - паразити вторинних хижаків

Редуценти можуть складати всі трофічні рівні, починаючи з другого, вони безпосередньо розкладають тіла продуцентів.

Екологічні піраміди

Кількість ланок ланцюга живлення в екосистемі не перевищує 4-6 і обмежується правилом екологічної піраміди: загальна біомаса кожної наступної ланки (трофічного рівня) в ланцюзі живлення зменшується

Відповідно до того що саме характеризують піраміди, вони поділяються на:

- піраміди біомас - характеризують суху масу чи енергетичну цінність;

- піраміди енергії - показують величину потоку енергії чи продуктивність на кожному трофічному рівні;

- піраміди чисел - відображають чисельність окремих видів.

Екологічний контроль продуктивності.

Екологічний контроль продуктивності - це зміна продуктивності під дією абіотичних факторів середовища. Особливості навколишнього середовища помітно впливають на синтез органічної речовини автотрофними та гетеротрофними організмами. Загальна зумовленість біопродукції екологічними факторами підпорядковується закону толерантності. Відповідно до цього закону в амплітуді дії того чи іншого фактору є зона оптимуму, в межах якої біопрдукція максимальна, та дві зони песимуму, в області яких біопрдуктивність гальмується або нестачею даного чинника, або його надлишком.

Ресурсами, що необхідні для обміну речовин зелених рослин, є вуглекислий газ, вода, мінеральні речовини та сонячна енергія. У тварин головними є доступність та якість їжі, кисень та вода.

Вплив абіотичних факторів на утворення біопродукції має комплексний характер. Визначає можливості біопродукції не один, хоча й важливий фактор, а їхнє сполучення. Сполучення екологічних факторів різноманітні в різних регіонах, тому є чітка різниця в біопродукції на різних континентах.

Важлива сторона екологічного контролю продуційного процесу - це нестабільність абіотичних факторів. Організми змушені витрачати енергію на пристосування до коливань екологічного режиму і біопрдуктивність падає.

Ценотичний контроль продуктивності

Оточення будь-якого живого організму включає в себе не тільки абіотичні фактори середовища. Жити та формувати біопродукцію кожній живій істоті доводиться в умовах того чи іншого біоценозу в тісній взаємодії з іншими організмами. Такі ценотичні зв'язки настільки важливі, що інколи як фактор контролю розміру та якості біопродукції вони перекривають за силою дії абіотичні фактори. Кожен живий організм не тільки відчуває певний вплив на себе з боку своїх співмешканців у ценозі, але й сам впливає на них. Такі впливи можуть бути позитивні, нейтральні та негативні. Це веде до виникнення між організмами специфічних форм взаємодії.

- нейтралізм - при сумісному проживанні організми не чинять одне одному ні позитивного, ні негативного впливу;

- конкуренція - два види організмів, або особини одного виду використовують один і той же подільний ресурс і намагаються витіснити один одного;

- хижацтво - один з видів використовує організм іншого виду як трофічний ресурс;

- паразитизм- один з організмів (паразит) використовує інший організм (хазяїн) як середовище існування та джерело живлення, існуючи за його рахунок і завдаючи йому шкоди, але не спричиняючи його загибелі.

Розрізняють зовнішніх паразитів (ектопаразити) і внутрішніх (ендопаразити).

- мутуалізм - або співробітництво - при сумісному проживанні організми сприяють одне одному (мікроби в травному тракті, рослини і комахи, які їх запилюють).

- аменсалізм - взаємозв'язок носить однонаправлений характер: для одного партнера він сприятливий, для другого - байдужий.

Досить сильно впливають на рівень біопродуційного процесу паразитизм та хижацтво. Але в природних умовах вони не ведуть до повного зникнення особин хазяїна або жертви. Йде хвилеподібне коливання розміру сумарної біомаси та чисельності цих організмів.

Описаний тип стосунків організмів принципово відрізняється від типу використання природних ресурсів людиною, коли ресурс або повністю знищується, або до такого рівня, що він уже не може самопоповнитися.

Взаємодії живих організмів надають біосфері цілісного характеру та забезпечують підтримку продукції різноманітних форм живої речовини на планеті. Біосфера або є як єдине органічне ціле, або вона руйнується, коли зруйновані механізми її підтримки.

Стабільність та стійкість біосистем та екосистем.

Екосистемам властиве біологічне різноманіття. Це інтегральне поняття, що описує варіабельність, яка властива всім видам наземних та водяних екосистем. Основними категоріями біологічного різноманіття є:

- різноманіття індивідуальних організмів за віком, статтю, життєвим станом;

- різноманіття популяцій за їхніми структурними типами;

- різноманіття видів (генотипів);

- різноманіття угруповань;

- різноманіття екосистем.

Біологічне різноманіття є формою існування живої матерії.

У 1884 році французький хімік А. Ле Шательє сформулював принцип, відповідно до якого будь-які зовнішні впливи, що виводять систему зі стану рівноваги, викликають у цій системі процеси, що намагаються послабити зовнішній вплив та повернути систему в початковий стан.

Стійкість організмів, популяцій або екосистем проявляється у самому факті їх існування протягом тривалого часу. Але біосистеми не існують вічно. Як смерть окремих особин, так і вимирання видів є природним процесом. У ході еволюції, коли певні види вимирають, а їм на зміну приходять інші, видове різноманіття біосфери зростає.

Для оцінки стійкості екосистем та біосфери корисним є поняття про екологічний резерв екосистеми. Це різниця між гранично допустимим відхиленням та фактичним станом екосистеми. Вона вказує на розміри тієї буферної зони, в межах якої можливі зміни, що не руйнують екосистему.

Серед стратегій виживання організмів існує дві альтернативи:

1. Адаптація - пристосування до середовища;

2. Уникнення, ухилення.

Основною є перша стратегія. Здатність до адаптації є важливою основою стійкості живих організмів. Адаптація може бути визначена як відповідність між організмом та його середовищем. Вона охоплює весь комплекс морфологічних, фізіологічних, поведінкових та інших особливостей живих організмів, які забезпечують їхнє існування в певних умовах.

Адаптація лежить в основі виживання організмів та підтримує на необхідному рівні їхню здатність до розмноження. Організми досить швидко і ефективно адаптуються до факторів, які трапляються часто в межах їхнього місця життя. До незвичайних факторів та умов пристосуватися важче.

Жити - це означає постійно адаптуватися. Кожний конкретний живий організм має адаптований комплекс фізіологічних, морфологічних та екологічних особливостей, які доповнюють одна одну та сприяють більш успішному виживанню та розмноженню виду.

Адаптація - це не тільки властивість окремих організмів, це й властивість популяцій. На популяційному рівні адаптації проявляються у формуванні гетерогенного складу популяції та появі в них екотипів - особливих форм, що відрізняються характером пристосувань до середовища.

Існує пристосованість біоценозів та екосистем. Але темпи адаптації тут нижчі, ніж окремих організмів. Тому екосистеми та біосфера виявляються особливо вразливими щодо антропогенних змін навколишнього середовища, які виникають більш різко та скоріше, ніж природні зміни.

Головний фактор стійкості біосфери - це наявність в ній живої речовини. Саме вона визначає переважання в біосфері процесів синтезу та структурування над процесами розпаду. Організми з різними типами та формами живлення по-різному освоюють життєві ресурси. Це складає широкий асортимент дублюючих один одного каналів потоку енергії та колообігу речовин.

Тема: Популяції та навколишнє середовище

Мета: Ознайомити студентів з поняттям «популяція», внутрішньо- популяційна структура, екологічна ніша, ареал популяції та інше.

Контрольні питання теми

1. Поняття популяції, її ознаки.

2. Просторова структура популяцій, популяційне поле, три основні типи розподілу живих організмів у популяційному полі. Територіальні взаємовідносини вищих тварин, типи заселення територій.

3. Внутрішньопопуляційна структура: статева, вікова, розмірна. Значення внутрішньопопуляційної структури.

4. Екологічна ніша, поняття, фундаментальна і реалізована екологічна ніша. Ареал популяції.

5. Динамічні показники популяції. Криві виживання.

6. Концепція демоцену і поняття виду.

7. Популяція як об'єкт використання, моніторингу та управління.

8. Популяційні аспекти розвитку людства.

Першою надорганізмовою біологічною системою є популяція. Термін популяція запозичений з демографії В.Іогансеном у 1905 р. для позначення групи особин одного виду, а іноді навіть однорідної сукупності особин різних видів.

Популяція (англ.. популяціон - населення) - це сукупність особин одного виду, які відтворюють себе протягом великої кількості поколінь і тривалий час займають певну територію, функціонуючи і розвиваючись в одному, або в ряді біоценозів. Популяція - елементарна еволюційна одиниця, екологічною ознакою якої є щільність, розподіл особин за віком і статтю, характер розміщення в межах екосистеми чи угруповання, тип росту та інше.

Кожна популяція існує в певному місці, де поєднуються ті чи інші абіотичні та біотичні фактори. Таке місце поєднання виступає як своєрідна адреса популяції. Якщо вона відома, то існує ймовірність знайти там саме цю популяцію.

Кожна популяція може бути охарактеризована ще і її екологічною нішею. Екологічна ніша є функціональним поняттям. За уявленням розробників цього поняття екологічна ніша є тим діапазоном умов, за яких популяція живе і відтворює себе, тому екологічна ніша сприймається не як об'єм фізичного простору, а як характеристика популяції стосовно всієї системи абіотичних і біотичних факторів, при яких вона може існувати.

Щодо кожного конкретного фактору чи умов життя кожен вид має свою амплітуду, в якій він може існувати. Але так як факторів існування у тварин і рослин багато, то екологічну нішу можна уявити як область в багатомірному просторі факторів, у межах якої може існувати дана популяція.

Кожній популяції характерна фундаментальна екологічна ніша, що представляє собою комплекс екологічних факторів, необхідних для даного виду при відсутності конкурентів. Цей тип ніші відповідає потенційним можливостям виду. На відміну від цього реалізована екологічна ніша охоплює ту амплітуду умов, яка доступна виду в присутності його конкурентів. Реалізована ніша, як правило, в тій чи іншій мірі менша фундаментальної.

Співвідношення між екологічними нішами різних популяцій можуть бути дуже різноманітними: від збігання екологічних ніш до повного розмежування. У межах власної екологічної ніші кожна популяція є найбільш сильним конкурентом. Тому двом різним популяціям з однією і тією ж нішею разом уживатися важко. У біоценозах постійно йде процес диференціювання видів за екологічними нішами, що забезпечує видове різноманіття біоценозів.

Просторова структура популяцій

Кожна популяція розміщується в тому чи іншому просторі. Просторова структура популяції характеризується розміром, чисельністю, щільністю та та константністю. Щільність популяції - це середня кількість особин на одиницю площі простору.

Усталений спосіб життя і простір, який займають рослини, називають популяційним полем. У тварин є територія, що використовується особинами популяції, вони її контролюють, зберігають. Кожне популяційне поле рослин та кожна територія проживання тварин мають свою екологічну ціну, що визначається наявністю ресурсів та умов, необхідних для життя, та відсутністю несприятливих факторів.

Ємність середовища у значній мірі й визначає розмір популяції і в багатьох випадках вона більш важлива, ніж просто розмір доступного для популяції простору.

Тип заселення території залежить від виду тварин. Є декілька форм організації популяцій тварин.

Поодинокий спосіб життя - окремі особини існують практично незалежно одна від одної, лише на короткий період формуються репродуктивні пари.

Сімейний спосіб життя характерний для тварин, у яких партнери, що беруть участь у розмноженні, утворюють пари на тривалий період. Вони утворюються не лише на період спарювання, але й зберігаються під час виведення, вигодовування та виховання молоді. У птахів відомі види, схильні до збереження сімейних пар на все життя. При сімейному способі життя тварини намагаються контролювати територію свого проживання.

Зграйний спосіб життя - тварини об'єднуються в групи чисельністю в декілька десятків або сотень особин. Зграї, як правило, існують цілорічно, лише на період розмноження вони можуть розбиватися на пари. У перелітних птахів зграї формуються на період міграції. Зграї мають великі переваги в добуванні їжі (вовки), в захисті від ворогів (копитні). Структура зграй може бути різною: в одних зграях всі рівноправні (риби), частіше в зграї є лідер і складна ієрархія підпорядкування особин. Ранг у зграї визначається звичайно тільки один раз. Після його встановлення сутички між тваринами припиняються, інформація про ранг повідомляється партнерам у зграї особливими сигналами або особливим типом поведінки. Ієрархія забезпечує відповідальність поведінки тварин зграї і підвищує виживання всіх особин.

Стадо - найбільш стійка форма існування груп особин. У стаді здійснюються всі функції популяції: пошук корму, розмноження, охорона та вирощування молоді. Для стада характерна ієрархічна структура та наявність лідера. Лідер - це тварина, яка найбільш пристосована до даних умов існування, здатна до швидкого вироблення умовних рефлексів. У стаді зубрів лідером є найбільш сильний та досвідчений самець, а в стаді північних оленів - група найбільш досвідчених самок.

Колонії - групові поселення тварин різного віку та статі. Такі колонії можуть бути постійними, або виникати на період розмноження. Колоніальний спосіб життя полегшує захист від ворогів. Особливо характерні поселення ряду видів птахів та гризунів. Складну організацію мають колонії таких комах як мурахи, бджоли, терміти.

Прайди - окремий прайд включає одного самця, двох-трьох самок та декілька особин молодняку. Прайдами живуть леви.

Організація популяції у вигляді колонії, прайда, зграї дає деякі переваги: полегшується пошук корму, забезпечується захист від ворогів.

Власна територія пильно контролюється тваринами, чужі особини свого виду на неї не допускаються. Тут спрацьовує ціла система міток або звукових сигналів. Як мітки найчастіше використовуються пахучі виділення. В антилоп пахучий секрет виділяється із залози біля краю ока, у сарни - біля основи рогів. Кішки та собаки мітять свою територію сечею. Ведмеді - обдирають кору на деревах, що ростуть на межі їхньої території.

Ряд видів тварин активно захищають свою територію. Але сутички ці ніколи не мають тяжких і тим більше смертельних випадків. У більшості випадків вони мають ритуальний характер.

Ряду видів тварин властиві популяції кочового типу. При стадній організації популяція не прив'язана до одного місця, а добуває корм на великих територіях.

Просторова структура популяцій тварин може змінюватись за сезонами року і залежить від фази продуктивного циклу та достатку кормових ресурсів.

Ареал популяції - це частина земної поверхні (акваторії), в межах якої в природних умовах існує популяція. Ареал залежить від радіуса індивідуальної активності ( слимаки, риби, кити).

Чисельність і щільність популяції

Популяція упродовж свого життя займає певну територію і зберігає якусь середню кількість особин. Тому, насамперед необхідно визначити чисельність і щільність особин, що свідчіть про ступінь впливу популяції на екосистему.

Чисельність популяції - загальна кількість особин на даній території або в даному об'ємі (води, грунту), які належать до однієї популяції. Розрізняють неперіодичні (такі, що рідко спостерігаються) і періодичні коливання чисельності популяції.

Щільність популяції - середня кількість особин на одиниці площі чи об'єму. Розрізняють середню й екологічну щільність. Середня щільність - це кількість особин (або біомаса на одиницю заселеності простору (тобто доступної площі чи об'єму). При збільшені чисельності щільність не росте лише при умові розселення популяції, збільшення ареалу.

Внутрішньопопуляційна структура

Під внутрішньопопуляційною структурою розуміють поділ популяції на групи особин, які відрізняються за тими, чи іншими властивостями. Залежно від обраного критерію оцінки існує декілька видів внутрішньопопуляційної структури.

Статева структура популяції. Особливості статевої структури популяції визначаються їхньою видовою належністю. Під статевою структурою мають на увазі співвідношення особин різної статі. Співвідношення чоловічої і жіночої статей в популяції має важливе екологічне значення, так як воно безпосередньо пов'яязане із потенціалом її розмноження. і впливом на життєдіяльність всієї екосистеми. Причому стосується це тільки роздільностатевих організмів. Одностатеві популяції складаються лише з жіночих особин і розмножуються патогенезом (розвиток яйцеклітини відбувається без запліднення). У природі поширеніші двостатеві популяції. Співвідношення особин різної статі в популяціях при генетичному контролі складає приблизно 50% на 50%. В людському суспільстві співвідношення статей також відповідає цій пропорції.

Необхідно пам'ятати, що стать контролюється ще і середовищем, тому можуть спостерігатися і відхилення від цього співвідношення.

Вікова структура популяцій.

У кожній популяції завжди є групи різновікових особин, співвідношення яких характеризує здатність популяції до розмноження. Відрізняють три стадії віку: передпродуктивний, продуктивний і постпродуктивний. Тривалість цих стадій у різних організмів дуже відрізняється. При сприятливих умовах у популяції присутні всі вікові групи, які забезпечують відносно стабільний рівень її чисельності. На віковий склад популяції впливають тривалість життя особин, період досягнення статевої зрілості, тривалість періоду розмноження, плодючість і смертність вікових груп. Такі популяції називаються поліциклічними. Популяції, які складаються з особин одного віку, називають моноциклічними (більшість трав'яних рослин, комах).

Якщо покоління нових особин з'являється у популяції одноразово та перехід з одного вікового стану до іншого йде синхронно, то в такій популяції вікова структура не виражена (культурні рослини).

Популяційні аспекти розвитку людства

За останні 150 років населення Землі росло дуже швидкими темпами. З древніх історичних епох до початку 19 століття чисельність населення світу досягла декількох сотень мільйонів осіб. У 1830 році популяція людей досягла 1 млрд. осіб, через 100 років - 2млрд., а в1960 р., всього через 30 років - 3 млрд. осіб. У 1999 р. чисельність населення планети сягнула 6 млрд. осіб.

Порівняно з основними показниками натурального росту населення в світі Україна за рівнем народжуваності (10,8 чол. на 1000 жителів) посідає останнє місце серед колишніх республік СРСР, а по смертності населення (14,2 чол. на 1000 жителів)- «почесне» друге місце серед розвинених країн світу., за показниками середньої тривалості життя населення - 47 місце у світі.

Модуль 2. Прикладні аспекти екології

Програма навчальних елементів другого змістового модуля

№	Навчальні елементи змістового модуля	Форма занять	Кількість Годин
1.	Тема: Антропогенний вплив на природне середовище	Лекції Практичні	2 години 2 години
2.	Тема: Екологічна безпека атмосфери	Індивідуальні Самостійна	1 година 3 години
3.	Тема: Екологічна безпека гідросфери	Індивідуальні Самостійна	1 година 3 години
4.	Тема: Екологічна безпека літосфери	Індивідуальні Самостійна	1 година 3 години
5.	Тема: Екологічні проблеми України	Лекції Індивідуальна	2 години 1 година
		Всього	18 годин

Тема: Антропогенний вплив на біосферу

Мета: Сформувати у студентів вірне розуміння основних причин негативного антропогенного впливу на Біосферу, розуміння поняття «забруднення», видів його і можливих негативних наслідків впливу на Біосферу.

Контрольні питання теми

1. Етапи виробничої діяльності людства з погляду впливу їх на довкілля.

2. Забруднення, визначення цього поняття, класифікація забруднень з позиції теорії перешкод та за походженням.

3. Екологічна криза і екологічна катастрофа, поняття, різниця між ними.

4. Природні забруднення біосфери, види їх за значенням для Біосфери.

5. Причини антропогенних забруднень довкілля і основні джерела антропогенних забруднень.

6. Класифікація антропогенних забрудненням за походженням. Механічні забруднення, джерела їх і вплив на біосферу.

7. Хімічні забруднення, джерела їх і найпоширеніші забруднювальні речовини.

8. Фізичні забруднення біосфери, основні види їх, вплив на довкілля і живі організми.

9. Забруднення біосфери пестицидами, особливості поведінки їх у навколишньому середовищу і впливу на живі організми.

10. Біологічне забруднення.

11. Нормування забруднень: ГДК, ГДР, їх визначення. Принципи нормування.

12. Особливості нормування забруднень в різних середовищах.

13. Визначення забруднень в навколишньому середовищу, якісні і кількісні методи досліджень.

14. Екологічне навантаження, модуль техногенного навантаження.

15. Екологічний моніторинг і якість природного середовища.

В історії виробничої діяльності людства по впливу на довкілля можна виділити чотири етапи:

1. Збирання та мисливство, яке зайняло приблизно 4 тисячі років. На цьому етапі людські спільноти існували в єдності з екосистемами як і всі інші живі організми, не порушуючи законів розвитку екосистем.

2. Землеробство та скотарство. Коли розвиток цивілізації став базуватися на використанні живої речовини, що вироблялася в штучних або напівштучних екосистемах. Перехід до цих виробничих форм господарювання дав можливість виробляти продукції більше, ніж потрібно для споживання, з'являлися відходи як землеробства так і скотарства. Але ці відходи мали природній органічний характер і легко природою перероблялися і включались в колообіг хімічних елементів. Для створення штучних господарських екосистем змінювався ландшафт території (ліси вирубували, розорювали землю).

3. Промислове виробництво, яке зорієнтоване на широке споживання невідтворних ресурсів та штучної енергії, що призводить до безперервного зростання тиску на природне середовище. Стрибкоподібно збільшується використання сировини та енергії і паралельно йде деградація біосфери (втрачено до 20% родючих грунтів), в атмосфері зріс вміст вуглекислого газу, що призводить до зміни клімату, виникли озонові «діри», стали звичайними кислотні дощі, забруднилися усі геосфери Землі.

4. Інформаційне суспільство, що об'єднане комп'ютерними технологіями та робить спроби переходу до ноосферної діяльності. Але необхідно сказати, що комп'ютерні технології сьогодні тільки інтенсифікують існуючі технології, завдаючи тим самим ще більшої шкоди довкіллю.

Ще Авіцена десять століть тому зрозумів, що хід суспільного розвитку та господарської діяльності згубний для природи та небезпечний для людства.

Надмірна господарська діяльність людини призводить до глобальної екологічної кризи. Площа антропогенних пустель досягла 8% суші, міста і промислові зони займають більше 2%. Найгостріше стоїть питання з лісами. За аерокосмічними даними щорічно в світі вирубується від 7 до 20 млн га лісу. Тропічні ліси - основний поставник кисню на Землі - вирубані на 50%, ліси помірного поясу - на 40%. Вирубка лісів посилює ерозію грунтів, забруднення атмосфери, порушує глобальні колообіги води, вуглекислого газу і кисню. Більше 50% сірчаного газу в атмосфері Землі має техногенне походження. В десятки разів більше норми вміст важких металів, органічних сполук та нафтопродуктів в середній і нижній течії Міссісіпі і багатьох інших відкритих водойм. В Молдавії та на півдні України постійна багаторічна обробка виноградників препаратами міді призвела до зараження грунтів солями міді.

Для великих промислових міст всього світу характерне забруднення свинцем: грунт і рослини міст мають в своєму складі свинцю в 20 - 30 разів більше, ніж за їх межами. Особливу екологічну небезпеку в цьому відношенні мають автотраси.

У 1972 році Римський клуб надрукував тривожний прогноз розвитку людської цивілізації «Межі росту», зроблений групою фахівців під керівництвом Д.Медоуза. Пізніше Д.Медоуз видав нову книгу «За межами росту», в якій дав аналіз системі «людство - природне середовище» на основі матеріалів 1970 - 1990 років, де також свідчить про глобальну екологічну кризу. Але усі ці застереження не мали відповідних дій. Усі соціально-економічні системи людства продовжують базуватися на пріоритеті споживання і тому є ворожими природі. Фінський вчений Г.Ф.фон Райт шлях розвитку цивілізації назвав деструктивним. Протягом другої половини 20-го століття зібралося достатньо прикладів негативної дії на біосферу антропогенних впливів.

Забруднення та їх класифікація

Десь до 13-го століття природа активно переробляла всі надходження речовин у біосферу, тобто відбувалося самоочищення. Продукти життєдіяльності всіх організмів, включаючи і людину, були переважно природного органічного походження і перетворювалися редуцентами на неорганічні сполуки, які включалися в природний колообіг речовин.

Із зростанням чисельності населення значно збільшувалися його потреби, для задоволення яких людство почало залучати багато нових речовин і нові види енергії, які були не властиві природі, до яких природа не встигала адаптуватися, тобто вони не включалися в природний процес колообігу. Це призвело до накопичення їх, що стало завдавати значної шкоди екосистемам і людині.

Забруднення - це внесення у природне середовище або виникнення в ньому нових, не характерних хімічних і біологічних речовин, агентів, енергій або внесення в надлишковій кількості будь-яких уже відомих речовин, які чинять шкідливий вплив на природні екосистеми й людину і яких природа не здатна позбутися самоочищенням.. Речовини, які забруднюють природне середовище, називають забрудниками, або полютантами. Об'єктом забруднення завжди є біогеоценоз. Надлишок одних речовин, або наявність нових у природному середовищі призводить до зміни екологічних факторів (змінюється склад атмосфери, води, грунту), що веде до порушення процесів обміну речовин. Все це призводить до порушення процесів життєдіяльності, що в кінцевому підсумку веде до екологічної кризи та екологічної катастрофи.

Екологічна криза - це ситуація, що виникла в природних екосистемах у результаті порушення рівноваги під дією стихійних природних явищ або в результаті антропогенних факторів ( вирубування лісів, зарегулювання рік, забруднення атмосфери, водойм, грунтів, тощо).

Екологічна катастрофа - це зміни необоротного характеру, що відбулися в екосистемах чи в біосфері.

З позиції теорії перешкод Г.В.Сталницький і А.І.Радіонов (1988) пропонують класифікувати забруднення так:

1. Інградієнтне забруднення - сукупність речовин кількісно або якісно чужорідних природним біогеоценозам;

2. Параметричне забруднення - зміна якісних параметрів навколишнього середовища до песимальних значень (забруднення різними видами енергії).

3. Біоценотичне забруднення - полягає в дії на склад і структуру популяцій живих організмів ( забруднення живими організмами).

4. Соціально-деструктивне забруднення, що являє собою зміну ландшафтів і екологічних систем у процесі природокористування, пов'язану з оптимізацією природи в інтересах людини.

Забруднення поділяють на природні, спричинені будь-якими природними катастрофічними чинниками (повені, виверження вулканів, землетруси, селевий потік, тощо) і антропогенні, що виникають внаслідок діяльності людей.

Природне забруднення біосфери

В науковій літературі дискутується питання про вплив глобальних катастроф на розвиток живих організмів у біосфері. Вплив екологічних катастроф на великомасштабні зміни розвитку живої природи на Землі досліджують багато вчених. Ці зміни вони пояснюють внутрішніми змінами самої Землі, зумовленими її властивостями, та зовнішніми - космічними. Земні і космічні зміни тісно пов'язані між собою, і можна розглядати тільки їх спільний вплив.

На біосферу Землі значний вплив має сонячна активність. Змінами сонячної активності можна пояснити різке збільшення чисельності окремих видів і популяцій. Існує думка, що сонячна активність впливає і на деякі геологічні процеси, а також на соціальну активність людського суспільства.

На розвиток життя значний вплив має магнітне поле Землі. Воно захищає життя на планеті від іонізуючого сонячного та космічного випромінювання. Під впливом зменшення напруженості магнітного поля, як показав канадський вчений Я.Крейн, у тканинах організмів виникають необоротні зміни і розвивається безпліддя. Російські вчені В.Красовський та Й.Шкловський пояснюють причини Земних катастроф спалахами наднових зірок. Катастрофічними наслідками супроводжуються падіння на поверхню Землі метеоритів, комет, астероїдів.