Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации Тверской государственный технический университет

С.А. Бережной/ В.В. Романов/ Ю.И. Седов

Экология

Учебное пособие Второе издание, переработанное и дополненное

Тверь 1998

УДК 502:5774 (075.8)

Бережной С.А., Романов В.В., Седов Ю.И. Экология: Учебное пособие.- 2-е изд., перераб. и доп..- Тверь: ТГТУ, 1998.- 204 с.

Содержит предмет, цели и задачи изучаемой дисциплины, ее основные термины и определения, важнейшие научные концепции экологии, характеристику биосферы и человека в ней, современные экологические проблемы в биосфере, основы ее охраны. Приведены методы защиты атмосферы, гидросферы от загрязнений и охраны почв, земель, флоры, фауны и недр. Даны источники загрязнений, их влияние на природу, нормирование и контроль загрязнений. Изложены экологические и экономические основы природопользования, основы экологического права и управления охраной природы в РФ. Учебное пособие соответствует Примерной программе дисциплины "Экология", утвержденной в 1995 г. Госкомвузом РФ для направлений "Технические науки".

Предназначено для студентов всех направлений и специальностей, кроме направления "Природообустройство" (специальности 1711 и 3207), ТГТУ при изучении дисциплины "Экология".

Подготовлено на кафедре "Безопасность жизнедеятельности и экология" (БДЭ) Тверского государственного технического университета. Обсуждено и рекомендовано к печати на заседании кафедры БВЭ ТГТУ (протокол №8 от 12 мая 1997 г.).

Табл. 13. Ил.18. Библиогр.: 12 назв.

Рецензенты: кафедра экологии Тверского государственного университета;

главный специалист отдела науки и научно-технической политики аппарата губернатора Тверской области доц., к.т.н. А.М. Кудряшов. ЭКОЛОГИЯ Учебное пособие

Редактор Т.С.Синицына Технический редактор Г.В.Комарова

Подписано к печати27.01.9Й

Формат 60х84 1/16 Бумага писчая Физ.печ.л. 12,75 Усл.печ.л. 11,62 Уч.-изд.л. 11,09 Тира» 450 экз. Заказ №7 С - 532

'Издательство и типография Тверского государственного технического университета. 170026, Тверь, наб. А. Никитина,22

ПРЕДИСЛОВИЕ

С момента выхода в свет первого издания (1993 г.) учебного пособия "Экология" [11 прошло 5 лет. За это время изменились многие концепции и подходы в экологии, расширилась база экономики природопользования и создана новая правовая база (вступили в действие новые Гражданский и Уголовный кодексы РФ, законы РФ и т.д.). Госкомвузом РФ утверждена 13.04.95 г. и введена в действие Примерная программа дисциплины "Экология" для профессиональных направлений 550000 "Технические науки" (кроме 553500 "Защита окружающей среды"). Все это предопределило необходимость переработки и дополнения учебного пособия [I], изданного в 1993 г. в Тверском политехническом институте (ныне Тверской государственный технический университет). Изменены его структура, содержание и несколько объем, а также включены принятые сокращения в учебном пособии (приложение 1) и контрольные вопросы по дисциплине "Экология" (приложение 2).

При написании данного учебного пособия использованы материалы Государственного доклада "О состоянии окружающей природной среды РФ в 1995 году", сокращенный вариант которого опубликован в газете "Зеленый мир" Н 24...29 в 1996 г.. и опыт преподавания авторами дисциплины "Экология" на различных факультетах Тверского государственного технического университета (ТГТ9), Во втором издании широко использовались новые теоретические концепции, активно пропагандируемые в последнее десятилетие и представленные в работах Н.Ф. Реймерса, И.Р. Приговина и других. Учитывался и опыт издания учебников по экологии. особенно в части экологии человека, а также повышение объема знаний, полученных студентами при изучении введенных в последние 5 лет дисциплин экологического профиля ("Основы экологии", "Природопользование" и т.д.) в средней школе. Все это позволило существенно сократить вопросы общей экологии и более подробно изложить темы инженерной экологии.

Пособие предназначено для студентов всех направлений и специальностей, кроме направления "Природообустройство" (специальности 1711 и 3207). ТГТУ при изучении дисциплины "Экология". Может быть полезным для широкого круга технических специалистов фирм, АО, предприятий, организаций и учреждений.

ВВЕДЕНИЕ

Все возрастающая хозяйственная деятельность людей вызывает мощные воздействия на природу. В результате учащаются негативные последствия на земле: кислотные дожди, засухи, эрозия почв, опустынивание некогда плодородных районов, интенсивные загрязнения вредными веществами атмосферного воздуха, вод, почв и т.д., а также постепенное разрушение озонового слоя Земли и развитие "парникового" эффекта в атмосфере. Это способствует росту заболеваемости людей и животных, снижению урожайности сельскохозяйственных культур и продуктивности животноводства, гибели лесов и растений, повышению износа машин и оборудования, зданий и сооружений, памятников культуры и т.д. В итоге возрастает чувство тревоги у людей за будущее нашей планеты. Если хозяйственная деятельность человеческого общества не изменится в ближайшие годы, то ученые предсказывают наступление через 15-20 лет необратимых изменений на Земле, которые поставят под угрозу само существование человеческой цивилизации. Решением этой важнейшей проблемы занимается экология, которая изучает экологические закономерности в природе и вырабатывает оптимальные пути и методы взаимодействия человеческого общества с природой.

В учебные планы современного высшего технического образования РФ введена дисциплина "Экология". Она призвана дать будущим бакалаврам, инженерам и магистрам (техническим специалистам) необходимые экологические знания и развивать у них экологическое мышление, а также повысить уровень их экологической культуры и этики.

При современном решении экологических проблем технические специалисты рассматривают одновременно как экологические, так и инженерные задачи. При этом первые задачи, как правило, решаются с помощью вторых. Вполне понятно, что это возможно, если они обладают необходимой экологической подготовкой. На это же нацеливает Закон РФ об охране окружающей среды от 19.12.91, введенный в действие с 03.03.92. В частности, статья 75 требует, чтобы руководящие работники и специалисты имели необходимую экологическую подготовку, которая учитывается при назначении на должность, аттестации и переаттестации работников. Лица, не имеющие такой подготовки, не допускаются к выполнению работы, требующей соответствующих экологических знаний.

Предмет, цель и задачи дисциплины "Экология"

Дисциплина "Экология" - это естественнонаучная дисциплина, изучающая взаимоотношения живых организмов и образуемых ими сообществ между собой и окружающей средой и освещающая принципы и методы защиты биосферы от негативных антропогенных воздействий. Она формирует у студентов экологическое мировоззрение и способность оценки своей будущей профессиональной деятельности с точки зрения охраны биосферы. В итоге у студентов должна выработаться способность научного мировоззрения: представление о человеке как части природы, о единстве и самоценности всего живого и невозможности выживания человечества без сохранения биосферы. Все это обеспечит студентам грамотное восприятие явлений, связанных с жизнью человека в окружающей природной среде (ОПС), в том числе и с его профессиональной деятельностью.

Дисциплина "Экология" является базовой (подстилающей) дисциплиной многих общепрофессиональных и специальных дисциплин учебного плана студента, в том числе и дисциплины "Безопасность жизнедеятельности" (БЖД). Она базируется на достижениях биологии, химии, геохимии, физики, математики, гигиены, экономики и ряда технических наук. Предметом ее изучения являются естественнонаучные, материально-технические, правовые и организационные методы и средства воздействия общества на состояние ОПС с целью ее сохранения.

Цель дисциплины - это повышение экологической грамотности будущих технических специалистов, вооружение их теоретическими знаниями и практическими навыками, необходимыми для обеспечения экологически безопасных инженерных решений на объектах экономики и в отдельных их производствах при строгом соблюдении этических и правовых норм. Эта цель реализуется следующими задачами преподавания дисциплины: 1) Изучение важнейших научных концепций экологии и методов и средств защиты компонентов биосферы; 2) приобретение навыков оценки, учета и прогнозирования экологических последствий технических решений; 3) выработка умения правильно применять зкобиозащитную технику и технологию, разрабатывать и обеспечивать необходимый комплекс мероприятий по предотвращению отрицательного воздействия различных объектов экономики на ОПС и в целом биосферу.

Научное содержание дисциплины "Экология" - это учение о биосфере и взаимоотношениях живых организмов и образуемых ими сообществ со средой их обитания, общества и природы. В дисциплине рассматриваются как важнейшие научные концепции экологии, учение о биосфере и взаимодействие человека с ОПС, так и современные экологические проблемы глобального и регионального характера в биосфере и ее охраны, комплекс вопросов по защите и/или охране атмосферы, водной среды, почв, земель, флоры, фауны и недр от загрязнений, основы экономики природопользования и экологического права.

Таким образом, дисциплина "Экология" освещает современные пути обеспечения экологической безопасности (ЭБ) человека, растительного и животного мира при взаимодействии общества с природой. При этом определяются принципы, приемлемые методы и средства обеспечения ЭБ на всех стадиях деятельности человека. Стадиями являются научный замысел, НИР, ОКР, проект, реализация проекта, испытания, транспортирование, эксплуатация, модернизация и реконструкция, консервация, ликвидация и захоронение. Выбор этих принципов, методов и средств обеспечения ЗБ зависит от конкретных условий хозяйственной деятельности человека и опасности загрязняющих веществ (3В), выбрасываемых в атмосферу, сбрасываемых в водные объекты или размещаемых на местности, а также стоимости их реализации. Все это будет изучаться студентами на лекционных и лабораторных занятиях, а также в период внеаудиторной самостоятельной работы и при выполнении расчетно-графической работы (РГР). Последняя направлена на выработку у студентов практических навыков по расчету, оценке, прогнозировании и принятии экологически грамотных технических решений по заданиям, чаще всего встречающихся в практической деятельности выпускника вуза по соответствующему направлении профессиональной деятельности и/или соответствующей специальности. Конкретный перечень заданий РГР определяет лектор, руководствуясь утвержденной рабочей программой дисциплины "Экология"; объем этих заданий регламентируется учебным пособием [21]. Лабораторные работы выполняются студентами в строгом соответствии с лабораторным практикумом по экологии Ш.

При завершении обучения по дисциплине "Экология" студент должен:

во-первых, иметь представление о биосфере и ее эволюции, целостности и гомеостазе живых систем и взаимодействии организма и сообщества организмов со средой экосистем; об экологических принципах охраны природы и рационального природопользования, перспективах создания неразрушающих природу технологий;

во-вторых, знать и уметь использовать основные понятия, законы экологии, методы теоретических и экспериментальных исследований в экологии; уметь оценивать численные порядки величин, характерных для экологии, при разработке и осуществлении

методов защиты ОПС и охраны здоровья человека на различных объектах экономики и их производствах; способы защиты биосферы в последующих дисциплинах учебного плана базового высшего технического образования РФ при обеспечении минимального ущерба ОПС и здоровья человека; основы экономики природопользования и экологического права. В результате он сможет конкретно решать вопросы ЭБ человека, растительного и животного мира, рационального использования природных ресурсов (ПР) и сохранения ОПС.

Основные термины и определения в дисциплине "Экология"

Впервые термин и общее определение экологии дал немецкий биолог З.Геккель (1866 г.) как раздел биологической науки о взаимоотношениях между организмами и средой. Согласно современной терминологии экология - это наука, изучающая взаимоотношения живых организмов и их сообществ между собой и окружающей средой. В экологии выделяют крупные подразделения: общая экология (биоэкология), геоэкология, прикладная экология, экология человека и социальная экология. Для технических специалистов особую роль играет прикладная экология с различными направлениями и методами исследований (промышленная или инженерная, строительная, химическая, сельскохозяйственная и др.)

Природа - это сложный естественный организм, характеризующийся многообразием составляющих его компонентов (атмосферы, гидросферы и литосферы), которые постоянно изменяются. Человек является частью природы.

Природная среда (ПС) - это сложнейшая система, в которой составляющие ее элементы находятся в определенном равновесии между собой.

Окружающая среда (ОС) - это часть пространства Вселенной, в которой обитает человек и функционируют созданные им системы (захватывающая, перерабатывающая, усваивающая, транспортная и выводящая). Из определения видно, что ОС не имеет постоянных во времени и пространстве границ; ее пределы зависят от достижений НТП и обусловлены сферой деятельности человека.

Окружающая природная среда (ОПС) - это вся земная природа, окружающая человека, где естественные факторы функционируют в органическом единстве с продуктами человеческого труда.

Охрана природы (ОП - по ГОСТ 17.0.0.01-76*) - это система мер. направленных на поддержание взаимодействия между деятельностью человека и ОПС, обеспечивающих сохранение и воспроизводство ПР, предупреждающих прямое и косвенное влияние результатов деятельности общества на природу и здоровье человека. В хозяйственной деятельности общества чаще употребляют термин "охрана окружающей среды" (ООС) - это комплекс международных, государственных, региональных и локальных административно-хозяйственных, технологических, юридических и общественных мероприятий, направленных на обеспечение благоприятных условий среды обитания и сохранение здоровья человека.

Загрязнители (загрязняющие вещества - ЗВ, поллютанты, токсичные, опасные или вредные вещества) - это неутилизированные материальные и энергетические отходы производства, а также естественные компоненты, нехарактерные для данной среды, оказывающие нежелательное действие на человека и ценные для него ресурсы живой (биотической) и неживой (абиотической) природы. К основным ЗВ обычно относят: взвешенные частицы, диоксид серы, оксид углерода, диоксид углерода, углеводороды и др.

Отходы - это продукты обмена веществ и энергии между обществом и природой, получение которых не явилось конечной целью; в зависимости от источника образования различают отходы производства и отходы потребления.

Загрязнение ОПС_- это изменение ее качественного состояния, происходящее в результате поступления в нее загрязнителей.

Смог (по ГОСТ 17.2.1.04-77*)- это газообразные и твердые примеси в сочетании с туманом или аэрозольной дымкой, образующиеся в результате их преобразования и вызывающие интенсивное загрязнение атмосферы.

Кислотный дождь (по ГОСТ I7. 2.1.03-84) - это дождь, водородный показатель которого РН<5,6 (в зимнее время - кислотный снег); вызывает ацидификацию (подкисление или закисление) почвы и водоемов, что приводит к повреждению живых организмов (гибель рыбы, снижение прироста лесов и т.д.).

Сточные воды (СВ) - это воды, отводимые после использования в производственной и бытовой деятельности человека. К ним относят также дождевые стоки с застроенных (селитебных) территорий.

Экосистема - это единый комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания, в котором живые и косные элементы связаны между собой обменом веществ и энергии. Термин предложен английским экологом Й. Тенсли (1935 г.). В зависимости от масштабов выделяют микроэкосистемы (например, ствол гниющего дерева), мезоэкосистемы (лес, пруд, озеро и др.), макро-экосистемы (континент, океан) и глобальную экосистему (биосфера - наружная оболочка планеты Земля, где существует жизнь и которая видоизменена или сформулирована жизнью).

Ландшафт - это природный территориальный комплекс, состоящий из взаимодействующих природных (рельеф, климат, воды, почвы, растительность, животный мир) или природных и антропогенных элементов, которые образуют однородную по условиям, развития единую систему. Различают агрокультурный (сельскохозяйственный), антропогенный (техногенный), природный, геохимический, элементарный и другие ландшафты.

Предельно допустимая концентрация (ПДК) - это экологический норматив, максимальная концентрация 3В в элементах ландшафта, которая при повседневном влиянии в течение длительного времени не вызывает негативных воздействий на организм человека или другого рецептора (определенный вид животных, растений).

Кадастр - это систематизированный свод данных, включающий качественную и количественную опись объектов и явлений, а в ряде случаев и их социально-экономическую оценку. Различают земельный, водный, биологический, лесной, медико-биологический и другие кадастры.

Экологическая ниша (экониша) - это область многомерного пространства (гиперпространства) переменных, в совокупности отображающих ресурсы и условия среды, соответствующая устойчивому существованию вида или популяции.

Вид (биологический) - это совокупность особей с общими морфофизиологическими признаками, способных к скрещиванию с образованием плодовитого потомства; популяция - это совокупность особей одного вида, длительно занимающая определенную территории или акватории.

Экологический кризис - это стационарное, относительно постепенное обратимое или необратимое ухудшение состояния ОС, вызванное деятельностью человека (например, ареал Аральского моря) или естественными факторами; экологическая катастрофа -это аномальные изменения (длительного или кратковременного характера) состояния ПС, ведущие к гибели людей и других живых организмов и большому материальному ущербу (например, Чернобыльская зона). При кризисе человек выступает, как правило, активной действующей стороной, а при катастрофе - вынужденно пассивной, страдающей стороной.

Защита ОПС - это природоохранная деятельность, направленная на снижение или полное исключение поступления в биосферу загрязнителей антропогенного (вызванного деятельностью человека) происхождения.

Средства защиты ОПС - это аппараты и устройства, предназначенные для снижения или полного исключения поступления в биосферу загрязнителей.

Качество ОПС - это состояние естественных и преобразованных человеком экосистем, сохраняющее их способность к постоянному обмену веществ и энергией, к воспроизводству жизни.

Управление качеством ОПС - это система государственных мероприятий по обеспечению качества ОПС на основе правильного сочетания и согласованного удовлетворения экономических и экологических интересов.

Другие термины и определения дисциплины "Экология" приведены в соответствующих разделах данного пособия. Более полно их можно найти в словарях [4, 51].

1. ВАЖНЕЙШИЕ НАУЧНЫЕ КОНЦЕПЦИИ И ПОЛОЖЕНИЯ ЭКОЛОГИИ

Экология вначале развивалась как общая биологическая наука о взаимодействии растительных и животных организмов и образуемых ими сообществ между собой и ОС. В настоящее время она все больше превращается в междисциплинарную область знаний об устройстве и взаимодействии многоуровневых систем в природе и обществе, в которой возрастающее значение приобретают техногенные воздействия на экосистемы и биосферу в целом. Технические аспекты защиты ОС оформляются в самостоятельную дисциплину - инженерную экологию или охрану ОС. Для представителей технических специальностей положения и концепции экологии являются естественно-научным фундаментом рациональной организации хозяйственной деятельности и природопользования и непосредственной основой разработки стратегии, конкретных мероприятий и средств защиты ОПС. Поэтому их изложение проводится ниже с выраженной ориентировкой на практическое значение для специалистов технического профиля.

1.1 Исходные теоретические концепции экологии

Наибольшее значение для экологии имела биологическая наука и особенно эволюционная теория Ч.Дарвина. Положения о наследственности и изменчивости, естественном и искусственном отборах и борьбе за существование как движущей силе эволюции позволили по-новому взглянуть на многообразие и единство форм жизни и лучше понять приспособительное значение различных направлений и видов эволюции: 1) ароморфоз, заключающийся в появлении таких морфофизиологических изменений, которые ведут к общему подъему организации биологических объектов, выходу их на новые уровни эволюции, и 2) идиоадаптация, обеспечивающая частные приспособления на этом новом уровне или рубеже. Примером ароморфоза может служить выход водных животных на сушу (превращение рыб в земноводные), а примером идиоадаптации -создание различных видов, семейств и отрядов амфибий. Эволюция закрепила 2 вида отбора: К-отбор, при котором выживание обеспечивается за счет усложнения организма и совершенствования его функций, и R-отбор, при котором те же задачи решаются резким увеличением потомства (некоторые рыбы мечут до нескольких миллионов икринок за один нерест).

Окончательное оформление экологии в самостоятельную дисциплину совпало с развитием кибернетики и системного подхода. Биологические и особенно экологические объекты для кибернетиков стали наиболее совершенными образцами реализации принципа обратной связи. Правда, исключительная сложность таких объектов, намного превышающая сложность любого технического устройства, обусловила и некоторые особенности реализации обратной связи в них. Обычная схема в биологических и экологических системах представлена первичной и вторичной субсистемами, последняя из которых включена в цепь обратной связи. В экологических объектах присутствуют положительные и отрицательные связи, в которых низкоэнергетические воздействия могут резко усиливать высокоэнергетические реакции и процессы. Именно эти связи экологи называют "живыми нитями" природы.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Существенной особенностью функционирования обратных связей в экологических и биологических объектах является возможность управления не только по отклонению (изменению) контролируемого параметра, но и по "возмущению", т.е. по воздействиям, ведущим к отклонениям. Тем самым обеспечивается подготовка к реакции на отклонение, создается упреждающая реакция на воздействие. Устойчивость живых организмов и экосистем к внешним воздействиям обеспечивается также дублированием компонентов системы, их избыточностью. Различается 2 вида устойчивости -упругая и резистивная. Первая обеспечивает возвращение в исходное состояние после отклонения, второе - повышение сопротивления возмущающим воздействиям.

Системный подход, повсеместно применяющийся в наше время, базируется на понятии системы, как множества закономерно связанных друг с другом элементов, составлявших собой единство, определенное целостное образование. Важнейшим свойством система является эмерджентность, т.е. появление новых, не сводящихся к сумме старых, качеств. Любой уровень анализа в экологии (начиная от единичной простейшей особи до биосферы в целом) требует системного подхода, ибо самая простая форма жизни уже представляет собой сложнейшую систему, превосходящую по сложности самые грандиозные технические устройства. В качестве примеров эмерджентности можно назвать эффект группы и массовый эффект. Образование устойчивой группы животных одного вида резко увеличивает их выживание, главным образом за счет более эффективного использования энергии. Установлено, что при прочих равных условиях энерготраты в группе в 2 раза ниже, чем при одиночном образе жизни. Потребность ушастых ежей в кислороде, например, в группе снижается более чем в 2 раза. Труд общественного насекомого в группе значительно эффективнее, чем при выполнении той же работы в одиночку. В сообществах животных, образующих колонии, больше шансов на выживание потомства, надежная защита от врагов. Эффект группы может проявляться даже в изменении окраски насекомых: зеленый цвет проживающей в одиночку саранчи меняется на черный при включении ее в стаи перелетных насекомых. Кстати, в группе саранчуки растут значительно быстрее, чем в одиночку.

При чрезмерной плотности организмов одного вида выживание уменьшается. Это явление в отличие от группового эффекта названо массовым. В основе массового эффекта лежат жесткие механизмы поддержания определенной численности и плотности распределения, ее своеобразного гомеостаза - в данном случае сохранения оптимального числа особей. Если для 500 га тундры оптимальным числом является 100 оленей, то помещение на этом пространстве 200 голов через несколько лет приводит к сокращению поголовья вдвое (эксперимент 1928 г.). Механизмы уменьшения численности ведут к гибели особей того же вида: изреживанию посевов при слишком большом числе семян и каннибализму (поеданию особей своего же вида) при большой плотности особей и недостатке пищи.

Из новейших глобальных теоретических обобщений для экологии наибольшее значение имеет концепция диссипативных структур И.В. Пригожина. которым доказана возможность самоорганизации и усложнения макроскопических структур в неравновесных состояниях. Появление таких структур и их развитие на уровне химических реакций и физических процессов, поддерживаемых автокатализом, диффузией и т.д., противоречит положении об обязательном необратимом рассеивании энергии. Все биологические и экологические объекты и системы находятся далеко от состояния равновесия и сохраняют, поддерживают это неравновесие системами гомеостаза. Именно у живых организмов и экосистем в наибольшей степени выражены самоорганизация и восходящее усложнение структуры и функций. Концепция диссипативных структур исключает случайность возникновения жизни на планете и дает новое более глубокое объяснение ее зарождению и эволюции.

1.2 Взаимоотношения организма и среды

К условиям существования или условиям среды относятся необходимые организму факторы, без которых его существование невозможно. Наиболее общая классификация экологических факторов среды делит их на биотические, абиотические и антропогенные. К первым из них относятся фитогенные, зоогенные и микрогенные воздействия на организмы, ко вторым - климатические условия (свет, температура, влажность, уровень барометрического давления и т.д.), эдафогенные, т.е. связанные с почвой факторы (состав почв, их влагоемкость, проницаемость для Од, плотность и т.д.), орографические условия, т.е. высота над уровнем моря, рельеф, угол наклона местности, и химические факторы, т.е. химический состав воздуха, солей воды и почвенных растворов и т.д. Существенное значение имеет и стабильность условий жизни. Различают первичные изменения (например, суточные и сезонные изменения освещенности и температур) и вызываемые ими вторичные изменения (например, различная активность живых организмов днем и ночью, зимой и летом), антропогенные факторы создаются самим человеком (например, условия жизни в городах).

Воздействие любого вида фактора может быть прямым (например, прямое воздействие температуры на течение физиологических процессов) и косвенным или опосредованным (прямое угнетающее воздействие ультрафиолетового облучения на развитие растений является косвенным воздействием на животных, питающихся этими растениями). Результат воздействия любого фактора зависит прежде всего от его интенсивности (рис. 1.1).



Интенсивность

Рис. 1.1. Зависимость результата действия экологического фактора от его интенсивности

Наиболее узкий диапазон значений факторов характерен для размножения организмов (можно проиллюстрировать на сезонности размножения ряда животных), а более широкий - для их роста и выживания. Характер зависимостей, представленный на рис. 1.1, будет сходным для самых различных видов живых существ, но конкретные значения факторов могут существенно различаться. Например, для некоторых антарктических рыб диапазон переносимых температур составляет всего 4°С (от -2 до +2°С); рыбы водоемов пустыни выдерживают температуру от +10 до +40°С.

Важное значение имеют лимитирующие факторы среды, т.е. факторы, значения которых приближаются к пределу способности организма переносить их влияние (или обеспечивать свое нормальное развитие и размножение). Так, лимитирующим веществом будет не то вещество, которого больше всего требуется для роста и развития организма, а те вещества, доступные количества которых наиболее близки к необходимому минимуму (закон минимума Либиха). При определении таких минимумов следует учитывать баланс вещества и энергии и взаимодействие факторов среды (например, кальций может замещаться стронцием, увеличение падающей солнечной энергии повышает потребность в цинке и т.д.). Лимитирующим фактором могут быть его избыточные значения (например, высокая рН, избыточная влажность), а также и целый ряд биотических факторов (например, перенаселенность территории каким-либо видом или, наоборот, недостаточная численность животных данного вида для создания его устойчивой популяции). Неоптимальность условий по одним факторам может сузить диапазон значений других.

Условия существования являются не просто необходимыми для жизни, они зачастую становятся ее регуляторами. Так, солнечный свет не только обеспечивает живые организмы энергией, но и регулирует процессы жизнедеятельности, включая важнейший биологический ритм - суточный ритм физиологических функций.

К основным лимитирующим факторам относятся свет, температура (жизнь возможна в диапазоне температур от -200 до +100°С), вода, кислород (лимитирующим факторам становится в водной среде), такие биогенные элементы как азот и фосфор (их соотношение в биосфере составляет 16:1), рН среды, микроэлементы (магний, кобальт, железо, марганец, цинк, бор, хлор, ванадий и молибден). Для фотосинтеза необходимы марганец, железо, хлор, цинк и ванадий, а для азотистого обмена - марганец, бор, кобальт и хлор.

Сложнее всего решается вопрос с определением биотических лимитирующих факторов. Масштабы их взаимовлияния трудно прогнозировать. О сложности проблемы говорит следующий факт. Если взять только 2 популяции различных видов, то между ними может возникнуть 9 только основных форм взаимодействия: 1) нейтрализм, в котором взаимовлияние отсутствует; 2) конкуренция с взаимоподавлением популяцией; 3) конкуренция из-за ресурсов;

4) аменсализм (неблагоприятный для одной популяции и безразличный для другой); 5) коменсализм (благоприятный для одной популяции и безразличный для другой); 5) мутуализм, благоприятный для обоих популяций; 7) паразитизм; 8) хищничество; 9) протокооперация, т.е. образование совместных гнездований у птиц или колоний у грызунов,

Наиболее распространенный тип взаимоотношений между животными - хищничество, т.е. поедание особей одного вида особями других, как это представлено Н.й. Заболоцким:

... Над садом

Шел ворох тысячи смертей.

Природа, обратившаяся адом,

Свои дела вершила без затей.

Жук ел траву, жука клевала птица,

Хорек пил мозг из птичьей головы,

И страхом перекошенные лица

Ночных существ смотрели из травы.

Природы вековечная давильня

Соединяла смерть и бытие.

Отношения "хищник - жертва" характеризуется наличием положительной и отрицательной обратных связей между ними

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

В результате создаются периодические изменения численности популяций хищника и жертвы с соответствующим запаздыванием ее максимумов и минимумов в каждой из них.

У каждого вида существует свой набор лимитирующих факторов, требуемые условия для организма определяют его экологическую нишу. Различается фундаментальная ниша, т.е. наибольший (максимально возможный) заселенный видом объем n-мерного пространства, и реализованная нища, т.е. тот же объем, но с учетом биотических ограничений (конкуренции видов из-за ресурсов, хищничества и т.д.).

В процессе эволюции у организмов создаются совершенные формы приспособления к условиям среды. Выработки таких наследуемых форм приспособления называется адаптацией. Она может быть морфологической, т.е. приспособление идет за счет изменения строения и формы организма (например, у водных животных) и физиологической, при которой меняются функции организма (например, у верблюдов потребность в воде обеспечивается ее получением из жира за счет особой системы биохимических реакций).

Третий вид адаптации представлен поведенческими реакциями, например, зимней и летней спячкой животных, соответственно, в холодном и жарком климате, сезонными миграциями птиц и т.д.

1.3 Экология популяций и сообществ

Целью изучения экологии популяций и сообществ является получение знаний об их важнейших характеристиках и свойствах, типах развития и других особенностях, необходимых для решения конкретных хозяйственных и экономических задач. Под сообществом или биоценозом понимается организованная группа популяций, растений, животных и микроорганизмов, живущих совместно в одних и тех же условиях среды. Биоценозы являются одним из двух основных частей экосистемы.

Каждая популяция характеризуется своей пространственной

структурой, распределением по возрасту и полу и поведенческими особенностями.

Пространственное (территориальное) единство входит в наиболее существенные признаки популяций. Оно по-разному проявляется у растений и животных, да и в последней группе может существенно различаться в зависимости от образа жизни. Для растительных сообществ характерна четкая связь с условиями обитания (прежде всего с климатическими и даже микроклиматическими факторами) и ярусное распределение совместно проживающих популяций. Животные могут вести оседлый образ жизни и могут мигрировать на значительные расстояния. Следует различать миграции, за счет которых поддерживается единство вида, и миграции, при которых практически вся популяция меняет место обитания. В первом случае место обитания покидает только часть популяций, иногда незначительная (например, у зайцев около 1% всех особей), а иногда существенная (например, у синиц до 66%). При другом варианте возможны ежедневные миграции с последующим возвращением на основное место обитания (например, у некоторых видов птиц), миграции, совершаемые один раз в жизни, но с последующим возвращением (как у лосося и угря) и миграции без возвращения (у некоторых видов бабочек). Первые из них сравниваются с билетом на серию поездок в оба конца, вторые - на поездку туда и обратно, третьи - на поездку в один конец. Кроме того, бывают ежегодные (например, у перелетных птиц) и сезонные (например, у северных оленей) виды миграций. Для ряда популяций характерен кочевой образ жизни с периодической сменой места обитания (например, у сайгаков, бизонов, зебр и других степных животных).

При оседлом образе жизни особи могут равномерно распределяться по всему ареалу (области своего естественного распространения) - диффузные популяции; при неравномерности пригодных для жизни участков характерно мозаичное распределение; для популяций с резкими колебаниями численности - пульсирующее. Нередко выделяют ленточное распределение, например, у водных и околоводных речных популяций.

Возрастная структура или возрастной спектр популяции зависит от генетической конституции организмов, их физиологических особенностей, условий обитания и т.д.

У однолетних растений и ряда животных с еще более коротким жизненным циклом на протяжении этого цикла в каждый последующий отрезок времени популяции будут составлять особи примерно одного возраста (так называемые инвазионные популяции).

Для нормальных популяций характерно наличие разных возрастов, для регрессивных - преимущественно старых, не способных к воспроизведении. У насекомых обычно наблюдаются последовательные генерации ряда поколений в течение одного года. Типичные возрастные структуры долгоживущих популяций представлены на рис. 1.2. Именно такие возрастные структуры характерны для человека и некоторых видов других животных (например, слонов).

Рис. 1.2. Возрастные структуры популяций

Этологическая структура (от слова этология - наука о поведении животных) прежде всего зависит от образа и условий жизни. При одиночном образе жизни в основе поведения особи - борьба за существование. С другими представителями популяции контакты возможны лишь в период размножения или, например, в местах совместной зимовки. При семейном образе жизни складываются родительские пары: иногда только на время воспитания потомства (например, у воробьев и уток), а иногда на всю жизнь (у лебедей, голубей и журавлей). Для ряда животных характерны групповые поселения - колонии с определенным взаимодействием между их членами (у птиц, сусликов, барсуков и т.д.). Известны временные объединения рыб и птиц (стаи), продолжительные и постоянные объединения некоторых животных - стада с их выраженными отношениями доминирования и подчинения (вожак стаи, самки, молодняк и т.д.).

Наибольшей сложности этологическая структура достигает у общественных насекомых (пчел, муравьев, термитов, ос), когда наблюдается четкое распределение обязанностей и согласованная совместная деятельность (например, при построении термитника или муравейника).

Рассмотренные характеристики структуры популяций вместе с условиями обитания определяют такие групповые особенности, как численность популяций, плотность их распределения, рождаемость, смертность, темпы роста и др. У популяций разных видов свой специфический характер изменений выживаемости в зависимости от возраста и свои темпы эволюции. От рождаемости зависит биотический потенциал сообществ, т.е., то максимальное потомство, которое может дать одна особь (одна пара) в год или за свой жизненный цикл. Для одних видов характерна высокая смертность в начальный период жизни (главным образом, при R-отборе), а для других - в пожилом возрасте (при K-отборе). Изменение условий жизни может привести к другому характеру выживаемости и другому уровни биотического потенциала. Всего 100 лет назад средняя продолжительность жизни человека была примерно в 2 раза меньше (главным образом вследствие высокой смертности в детском возрасте и от инфекционных болезней), чем сейчас, а кривая выживаемости имела резкий спад в первые годы жизни.

Существенный интерес представляет плотность распределения популяции, оказывающая значительное влияние на жизнедеятельность и выживаемость. Уровень жизнедеятельности и выживаемости резко снижаются при минимальных и чрезмерно высоких значениях плотности, а сам характер зависимости этих показателей от плотности сходен с графиком рис. 1.1. Снижение выживаемости и жизнедеятельности при высокой плотности объясняется массовым эффектом, а при низкой - резким уменьшением контактов между особями.

Рассмотренные выше особенности лежат в основе эволюции популяций. Ее формализованное описание выражено логистической (S-образной) функцией, учитывающей несущую способность окружающей среды (К), исходную численность популяций (N), рождаемость (r) и смертность (m):

(1.1)

При любом начальном значении N число особей популяций через какое-то время выходит на устойчивый уровень - уровень насыщения. Разумеется, и устойчивость численности популяций на уровне насыщения, и сам процесс выхода на него не являются гладкими. Непостоянство климатических условий, болезни, конкуренция могут менять N в несколько раз. Сообщества приспосабливаются к перечисленным факторам: создают запасы пищи, меняют уровень активности и т.д.

Логистическая функция не подходит для формализованного представления динамики популяций с низкой плотностью, в которых каждая особь играет собственную роль и более полно реализует свои способности.

Однако, в целом логистическая функция и ее графическое представление с полным основанием могут быть рекомендованы для прогнозирования динамики популяций и объяснения ряда специфических эффектов, вызываемых изменением К, m и r. Исследование этой функции показало, что при постоянстве несущей способности среды и значениях 0<r<2 наблюдается монотонное приближение N к равновесию; в случае 2<r<2,44 развитие идет с двухлетними колебаниями численности, при 2,44<r<2,57 выраженность колебаний возрастает, их период увеличивается в несколько раз, а численность меняется в сотни раз. При r > 2,57 развитие становится хаотическим.

С учетом имеющихся данных о реальных вариантах динамики популяций, результатов ее математического моделирования, а также с учетом конкуренции различных видов из-за ресурсов и воздействий сверхсистем (в наше время такой сверхсистемой для сообществ живых организмов является экономическая деятельность человека) можно выделить 4 основных типа эволюции популяций (рис. 1.3).

Первый тип динамики (рис. 1.3 а) относится к популяциям, полностью заполняющим свою эконишу, второй тип (рис. 1.3 б) -к популяциям, чья численность ограничена конкуренцией, эпизоотиями и т.д., т.е. к популяциям, заполняющим реализованную эконишу. На рис. 1.3 в представлена периодическая популяция,численность которой в каждом периоде изменяется в сотни раз (лемминги, саранча и другие виды грызунов и насекомых). В экологии колебания численности периодических популяций называют осиалляциями, а изменения под влиянием абиотических факторов (засух, наводнений и т.д.)- флуктуациями.

Катастрофическая динамика популяций (рис. 1.3 г) может быть вызвана вмешательством человека или вследствие биоценотических нарушений, обусловленных экономической деятельностью. Например, в Сахеле (Африка) неоправданно высокое содержание скота привело к гибели растительности и превращению цветущего региона в пустыню. Этот процесс сопровождался гибелью растительных и животных популяций. Вторым примером может служить Арал, где вызванные человеком изменения биотопа (резкое снижение поступающей в море воды) привели к гибели богатых прибрежных популяций и превращению плодородной земли в пустыню.



Рис. 1.3. Основные типы эволюции популяций

Вторая основная группа сообществ, называемая биоценозами, которая представляет собой одну из 2 частей экосистем, рассматривается ниже.

1.4 Экологические системы

1.4.1 Общая характеристика

Экосистема является основным понятием экологии. Она может быть представлена самыми различными по масштабу образованиями - от обычной лужи до аквариума, до биосферы в целом. Близким к данному понятию является предложенный акад. В.М. Сукачевым термин биогеоценоза (однородного участка земной поверхности с определенным составом живых и косных элементов и динамическим взаимодействием между ними). Понятие биогеоценоза является синонимом наземных экосистем,

В каждой экосистеме выделяют 2 блока - ее косная и биокосная часть - экотоп и живая часть - биоценоз (рис. 1.4).



Рис. 1.4. Общая схема экосистемы и круговорота вещества и энергии в ней (по Н.Ф. Реймерсу)

Общий перечень элементов экосистемы включает:

1. Неорганические вещества (,, , и т.д.), содержащиеся в виде газов, жидкости и ингредиентов субстрата.

2. Органические соединения (белки, углеводы, липиды, гумус и т.д.), содержащиеся в живых организмах и отчасти в субстрате.

3. Субстрат - среда или основа, в которой постоянно обитают и развиваются организмы (верхний слой литосферы, гидросферы и ее донные отложения, отчасти атмосфера).

4. Автотрофы или продуценты, т.е. организмы, способные к фото- или хемосинтезу и являющиеся создателями органических веществ из неорганических.

5. Гетеротрофы или консументы, т.е. потребители органического вещества.

6. Редуценты, чаще всего являющиеся микроконсументами, разлагающими мертвое органическое вещество и превращаюшие его в неорганическое, которое способны усваивать продуценты.

Три последних компонента экосистемы обычно разделены в пространстве (продуценты - в верхнем ярусе леса и луга, редуценты - в почве) и во времени. Некоторые органические вещества могут находиться только в живых организмах, другие - только вне организмов (например, гумус, составлявший основу плодородия почвы), третьи находятся и в живом, и в косном веществе, но активно функционируют только в составе живого вещества (например, хлорофилл).

Чисто биологические компоненты экосистемы (продуценты, консументы, редуценты) различавтся по типу питания и месту в круговороте веществ и энергии. Продуценты, к которым прежде всего относятся зеленые растения, обеспечивают в процессе фотосинтеза за счет энергии солнечного света образование нового органического вещества - углеводов. Всего в процессе фотосинтеза в биосфере за год создается около 100 млрд.т углеводов, *усваивается около 200 млрд.т СО2 и выделяется 175 млрд.т свободного О2. В природе существует и бактериальный фотосинтез, в котором окислителем выступает сероводород и органические соединения. Такой вид фотосинтеза важен для круговорота серы: в стоячих пресных водах он дает до 25Х всей вновь образуемой биомассы. Там, где отсутствует свет (например, на дне океана), органическое вещество создается за счет хемосинтеза.

Вновь создаваемое органическое вещество вместе с содержащейся в нем энергией является источником питания для консументов. Различается несколько видов консументов-травоядных (или первичных) и плотоядных (или вторичных). Вторичные консументы могут быть нескольких порядков (ежик - лиса - волк - медведь).

Последним биологическим компонентом экосистемы являются редуценты, которые в основном представлены микроорганизмами. Редуценты разлагают органическое вещество в присутствии О2(аэробное разложение) или в его отсутствии (анаэробное разложение) до неорганических веществ, которые в состоянии усваивать другие организмы - продуценты. Существенная роль в разрушении органического вещества принадлежит и мелким консументам. Разложение органических веществ может обеспечиваться и другими путями. Например, для некоторых экосистем существенное значение в этом процессе имеют лесные, степные или торфяные повара.

Рассмотрим два очень распространенных примера экосистем -наземную лугопастбищную и озерную. В каждой из этих систем источником энергии является Солнце, среда в первой системе представлена атмосферным воздухом и почвой, во второй системе - водой и донными осадками. Продуцентами в первой системе будут относительно крупные растения, во второй - очень мелкие, часто микроскопические формы (фитопланктон). Функции консументов первого порядка на лугах выполняют растительноядные животные (насекомые и млекопитаищиеся лугопастбищного сообщества), в озерах - зоопланктон в толще воды; консументами второго порядка на лугу являются птицы и другие сухопутные животные, а в озере - рыбы. Различный видовой состав будут иметь и редуценты луга и озера (разлагавшие бактерии и грибы). Таким образом, структура и функционирование обоих экосистем сходны, но их среда и видовой состав биоценозов (т.е. совокупность живых существ, входящих в каждую экосистему) различны. При этом виды растений, микроорганизмов и животных каждой из рассмотренных экосистем, взятых в конкретных границах того или иного луга или озера, представляют собой популяции соответствующих трав, насекомых, птиц, грызунов, рыб и т.д.

Скорость разложения мертвых организмов зависит от вида органического вещества. Ткани животных могут разлагаться сравнительно быстро, а древесина - более медленно. Наиболее устойчивым продуктом разложения является гумус, накапливающийся в почвах столетиями. Процесс разложения ускоряется человеком за счет сжигания органических веществ, ускорения распада гумуса при интенсивном или нерациональном сельскохозяйственном производстве, сведении и сжигании лесов. Часть вновь образованного органического вещества может храниться в экосистеме в форме запасов веществ.

Параллельно круговороту веществ в экосистеме идет круговорот энергии с неизбежными ее потерями на каждом этапе. Эти потери в схеме (рис. 1.4) обозначены как сток тепла. Сток тепла обозначает неизбежное рассеивание энергии для поддержания экосистемы на более высоком уровне упорядоченности, т.е. на более низком уровне энтропии. Такая возможность поддержания высоких степеней упорядоченности на первый взгляд противоречит второму закону термодинамики (закону энтропии). Однако для неравновесных сред эта возможность была теоретически доказана лауреатом Нобелевской премии Ильёй Пригожиным (см. подраздел 1.1).

В экосистеме создаются определенные запасы вещества и энергии, часть из которых может экспортироваться из системы. В наше время в биосфере в целом распадается количество вещества, примерно равное вновь образуемому. Однако около 300 млн. лет тому назад распад органического вещества был меньше; определенная его часть оставалась в биосфере, образуя запасы горючих ископаемых. В последующие эпохи наблюдались колебания в создании и распаде органики, что привело к изменению содержания СО2 в атмосфере планеты и соответственно к глобальным изменениям климата, одним из проявлений которых были оледенения.

1.4.2 Превращения энергии в экосистемах

Основным источником энергии для экосистем является энергия Солнца. Именно она создает тепло на поверхности планета, кинетическую энергию потоков воздуха и потенциальную энергию гидросферы. Потребность человека в энергии около 40 ккал/кг в день. Потребность живых организмов в энергии с уменьшением их размеров резко возрастает (для птиц она 1000 ккал/кг в день, а для насекомых - 5000 ккал/кг в день). Солнечный свет дает 2 кал*см2 *мин-1 , но до земной поверхности в полдень доходит не более 1,34 кал*см2*мин-1. При этом 40% солнечной энергии отражается в космос, 60% переходит в тепло, расходуется на испарение, осадки, ветер, волны и фотосинтез. Из 100% солнечной энергии, падающей на зеленый лист, усваивается и запасается в органическом веществе всего 2%.

Для оценки эффективности поглощения солнечной энергии используется понятие продуктивности. Различаются: 1) первичная продуктивность, т.е. общая скорость фотосинтеза; 2) чистая первичная продуктивность или чистая ассимиляция - скорость фотосинтеза за вычетом потерь энергии на дыхание; 3) чистая продуктивность сообществ - чистая ассимиляция за вычетом потерь на дыхание и у гетеротрофов и 4) вторичная продуктивность или энергия, накопленная у консументов. В чистую первичную продукцию у растений попадает только 0,1% падающей на них солнечной энергии. При этом 25% всей ассимилированной энергии растениями идет на дыхание, зерно (экспорт из системы) - 32%, остается в поле (стебли, корни) - 33%, на микробы и болезни расходуется 10%.