1 вопрос. Способность к защите от неблагоприятных и повреждающих факторов среды – обязательное свойство организма растений (такое же, как и фотосинтез, минеральное питание, дыхание и т.д.). Ответные реакции, индуцируемые внешними воздействиями, часто объединяют терминами адаптационный синдром (adaptive syndrome) либо широко распространившимся ныне понятием стресс. Ганс Селье, впервые в 1936 г. предложивший этот термин, назвал комплекс ответных реакций организма «генерализованным адаптационным синдромом», в котором выделил три стадии:
1 стадия тревоги и торможения большинства процессов (для растений, не имеющих нервной системы, это первичная стресс-реакция, когда идут отклонения в физиолого-биохимических процессах);
2 стадия адаптации – когда идет выработка приспособления к стрессору;
3 стадия истощения – когда адаптивный потенциал организма достаточен или недостаточен для преодоления стресса. Если это происходит при сверхвысокой напряженности стресса - организм гибнет.
В последнее время показано, что изменения в метаболизме, физиологических функциях и ростовых процессах при стрессе связаны с изменениями экспрессии генов. Ответ на действие стрессора происходит если растение распознает стрессор, т.е. происходит первичная рецепция сигнала на клеточном уровне. Абиотические стресс-факторы (засоление, засуха, пониженная или повышенная температура и др.) обычно активизируют рецепторы, расположенные в плазмалемме, а далее через различные интермедиаты (протеинкиназы, фосфатазы) срабатывает сигнальная цепь, и образуются транскрипционные факторы, которые активируют в ядре гены путем связывания их со специфическими промоторами. Срабатывает последовательная цепь событий: стресс-сигнал → рецептор плазмалеммы → сигнальная цепь в цитозоле с ее усилением → активация транскрипционного фактора в ядре → промотр стресс-индуцированного гена → активация мРНК → стресс-белок → выполнение им защитной функции → приобретение растением устойчивости к данному сресс-фактору.
2 вопрос. Популяцио́нная гене́тика, или генетика популяций — раздел генетики, изучающий распределение частот аллелей и их изменение под влиянием движущих сил эволюции: мутагенеза, естественного отбора, дрейфа генов и потока генов. Также принимаются во внимание пространственная структура популяции и субпопуляционные структуры. Популяционная генетика пытается объяснить процессы адаптации и видообразования и является одной из основных составляющих синтетической теории эволюции. На формирование популяционной генетики наибольшее влияние оказали: Сьюэл Райт (англ. Sewall Wright),Джон Холдейн (англ. John Haldane), Рональд Фишер (англ. Ronald Fisher), Сергей Четвериков; ключевые закономерности, определяющие частоты аллелей в популяциях сформулированы Годфри Харди (англ. Godfrey Harold Hardy) и Вильгельмом Вайнбергом.
Вторая половина 20-х — конец 30-х годов XX века. В это время происходило накопление данных о генетической гетерогенности популяций. Он завершился выработкой представлений о полиморфизме популяций.
40-е -середина 60-х годов XX века. Изучение механизмов поддержания генетического полиморфизма популяций. Появление и развитие представлений о важной роли гетерозиса в формировании генетического полиморфизма.
Вторая половина 60-х — конец 1970-х годов XX века. Этот этап характеризуется широким применением белкового электрофореза для изучения полиморфизма популяций. Формируются представления о нейтральном характере эволюции.
С конца 1970-х годов. Этот период характеризуется методическим смещением в сторону применения ДНК-технологий для изучения особенностей процессов происходящих в популяциях. Важным моментом этого этапа (примерно с начала 1990-х годов) является широкое применение вычислительной техники и специализированных программ (например, PHYLIP, Clustal, Popgene) для анализа разнообразных типов генетических данных.
Этот закон представляет собой модель, используя которую генетики могут количественно определять изменения в распределении генов в популяции, вызванные, например, мутациями или миграцией. Другими словами, этот закон является теоретическим критерием для измерения изменений в распределении генов.
3 вопрос. Экологическая генетика — раздел науки, изучающий генетические аспекты взаимодействия организмов, а также изменения организмов под воздействием среды обитания (экологических факторов), исследующая взаимовлияние генетических процессов и экологических отношений
Многие вещества различной химической природы способны при воздействии на человека вызывать злокачественное перерождение клетки (канцерогенное, или бластомогенное, действие), нарушения развития плода (тератогенное или эмбриотоксическое действие), повреждения генетического кода (мутагенное действие).
канцероге́н (от лат. cancer ‘рак’ и др.-греч. γεννάω ‘рождаю’) — факторы окружающей среды, воздействие которых на организм человека или животного повышает вероятность возникновения злокачественных опухолей. Указанные факторы могут иметь химическую (различные химические вещества), физическую (ионизирующие излучения, ультрафиолетовые лучи) или биологическую (онкогенные вирусы, некоторые бактерии[1]) природу; по оценкам онкологов, 80—90 % всех форм рака у человека представляет собой результат действия таких факторов[2].
По определению экспертов Всемирной организации здравоохранения, «канцероген — это агент, который в силу своих физических или химических свойств может вызвать необратимые изменения и повреждения в тех частях генетического аппарата, которые осуществляют контроль над соматическими клетками»[2].
Тератогенное действие ядов проявляется способностью вызывать стойкие структурные, функциональные и биохимические изменения плода, приводящие к порокам развития или уродствам.
Тератогенный эффект может быть прямым (в результате проникновения через плацентарный барьер) и косвенным (обусловленным отравлением матери, приводящим к нарушению эмбриогенеза). Чувствительность плода к яду зависит от срока беременности. Наиболее уязвим плод в так называемые критические периоды, которые предшествуют определенным этапам эмбриогенеза (для человека - первые недели беременности).
Самопроизвольные выкидыши, преждевременные роды, мертворождения, нарушения развития плода и новорожденных выявлены у женщин, подвергающихся воздействию бензина, бензола, сероуглерода, ртути, свинца и ряда других промышленных ядов.
Сведения о мутагенном действии промышленных ядов на человека еще ограниченны. Генетическая опасность для потомства млекопитающих доказана лишь для немногих промышленных ядов (этиленимин, бензол, диметилнитрозамин, соединения ртути, свинца и некоторые другие). Нарушения генетического кода могут проявиться спустя длительное время, причем продолжительность этого периода может быть различной.
Имеется определенная корреляция между выраженностью канцерогенных, тератогенных и мутагенных свойств. Эта закономерность выявлена, например, в отношении веществ, обладающих алкилирующими свойствами (этиленимин, диазометан, иприт азотистый, некоторые нитрозосоединения и др.). Многие из них являются одновременно и аллергенами, например токсические продукты табачного производства.
4 вопрос. Под этим определением понимается способность к изменению наследственного материала под действием различных причин. Изменчивость всегда сопутствует наследственному материалу, несмотря на наличие в клетке эффективных репарационных систем, позволяющих сохранять его стабильность. Выделяют ненаследственную (модификационную. фенотипическую) и наследственную (генотипичес-кую) изменчивость.
По характеру изменения генотипа мутации делятся на генные, хромосомные и геномные.
Генные (точковые) мутации - это изменения в пределах одного гена, приводящие к появлению новых аллелей.
Выделяют следующие виды мутаций:
- деления - выпадение отдельного нуклеотида. может быть утрата до нескольких тысяч нуклеотидов. если делеция кратна трем, то выпадает 1 кодон и соответственно 1 аминокислота, происходит сдвиг рамки считывания:
инсерция - вставка фрагмента, от 1 до нескольких тысяч нуклеотидов. происходит сдвиг рамки считывания, белок становиться более длинный, новая аминокислота: разновидность инсерции -динамическая мутация, удлинение трех нукле-отидных повторов:
замена нуклеотида на другой, меняется кодон и соответственно аминокислота: замена пуринового основания на другое пуриновое или пиримидинового на другое пиримидиновое называется транзицией, а замена пуринового на пирмиди-новое - трансверсией; инверсия - поворот участка гена на 180 градусов; дупликация - удвоение участка гена:
В результате генных мутаций у человека возникает большое число болезней обмена веществ (галактоземия. фенилкетонурия. алкаптонурия и др.). В настоящее время известно около 4860 нозологических единиц.
Хромосомные мутации (перестройки, аберрации) - это мутации, связанные с изменением структуры хромосом. Они могут происходить внутри одной хромосомы и между разными хромосомами. Среди внутрихромосомных перестроек выделяют:
дупликации - удвоение участка какой либо хромосомы, если удваиваемый участок располагается последовательно, то такая дупликация называется тандемной:
- делеции - утрата части хромосомного материала, может быть концевая или терминальная делеция. т.е. потеря дистального участка в результате одного разрыва, может быть интерстициальная делеция. утрата внутреннего сегмента хромосомы при наличии двух разрывов в одном плече;
инверсии - поворот участка хромосомы в ее же пределах на 180 градусов, различают парацентрические (внутриплечевые. при этом меняется рисунок сег-ментизации) и перицентрические (межплечевые, с участием центромеры), они создают затруднения процесса конъюгации гомологичных хромосом в мейозе. в результате чего у гетерозиготных носителей инверсий происходят частые нарушения образования половых клеток
Межхромосомные перестройки: к ним относятся транслокации.
Транслокация - перестройка двух хромосом с переносом участка одной хромосомы на другую: транслокации могут быть простыми, возникающими в результате двух разрывов на двух разных хромосомах, и комплексными, когда в них участвуют три и более хромосом с числом разрывов 4 и более: различают робертсоновс-кие транслокации - образуются при слиянии двух центромер акроцентрических хромосом, в результате возникает одна мета - или субметацентрическая хромосома и число хромосом в клетке уменьшается на одну; реципрокные (сбалансированные) - происходит взаимный обмен двух негомологичных хромосом и нере-ципрокные (несбалансированные) - участок хромосомы изменяет свое положение или включается в другую хромосому без взаимного обмена.
Изохромосома - хромосома с двумя идентичными плечами, возникает вследствие аномального деления хромосомы в области центромеры с последующей дуп-ликацией материала короткого или длинного плеча, возникает изохромосома по короткому или длинному плечу.
Дицентрическая хромосома - возникает вследствие воссоединения двух поврежденных хромосом, несущих центромерные районы, с образованием одной хромосомы с двумя центромерами.
Кольцевая хромосома - возникает при утрате обоих теломерных участков одной хромосомы с последующим воссоединением открытых концов.
Геномныемутации - это числовые хромосомные аномалии, связаны с нарушением численного состава хромосомного набора (кариотипа). К ним относятся полиплоидия - кратное гаплоидному увеличение числа хромосом (п -гаплоидное число. 2п -диплоид. Зп - триплоид. 4п - тетраплоид и т.д.). У человека зародыши с полиплоидией погибают в ранние месяцы внутриутробного развития: анеуплондия - изменение числа отдельных хромосом в наборе либо в сторону уменьшения (гипоплоидия - вместо двух гомологичных хромосом присутствует одна, это мо-носомия по данной хромосоме), либо в сторон)" увеличения (гиперплоидия - вместо двух гомологичных хромосом имеются их дополнительные копии, трисомия или полисомия).
В основе геномных мутаций, как правило, лежит нерасхождение или анафазное отставание хромосом. В первом случае нарушается распределение хромосом по дочерним клеткам. Хромосомы, которые в норме должны разделиться остаются соединенными и вместе отходят к одному полюсу. Если нерасхождение происходит в двух и более последовательных делениях, то возникают три-. тетра- и пентасомии
5 вопрос
Механизмы регуляции жизнедеятельности организма делятся на нервные, гуморальные и нервно-гуморальные. Нервные механизмы используют для передачи и переработки информации структуры нервной системы (нейроны, нервные волокна) и электрические потенциалы, гуморальные – молекулы химических веществ, распространяющихся во внутренней среде организма. Нервная регуляция обеспечивает быструю и направленную передачу сигналов (до 80 – 100 м/с), без затухания и потери энергии. Гуморальная регуляция – это способ передачи информации к эффекторам через жидкую внутреннюю среду организма с помощью молекул химических веществ, выделяющихся клетками или специализированными тканями. Вместе они составляют единую нейрогуморальную систему регуляции физиологических функций.
Гомеоста́з (др.-греч. ὁμοιοστάσις от ὅμοιος — одинаковый, подобный и στάσις — стояние, неподвижность) — саморегуляция, способность открытой системысохранять постоянство своего внутреннего состояния посредством скоординированных реакций, направленных на поддержание динамического равновесия. Стремление системы воспроизводить себя, восстанавливать утраченное равновесие, преодолевать сопротивление внешней среды. Гомеостаз популяции — способность популяции поддерживать определённую численность своих особей длительное время.
Американский физиолог Уолтер Кеннон (Walter B. Cannon) в 1932 году в своей книге «The Wisdom of the Body» («Мудрость тела») предложил этот термин как название для «координированных физиологических процессов, которые поддерживают большинство устойчивых состояний организма». В дальнейшем этот терминраспространился на способность динамически сохранять постоянство своего внутреннего состояния любой открытой системы. Однако представление о постоянстве внутренней среды было сформулировано ещё в 1878 году французским учёным Клодом Бернаром.
6 вопрос
К числу основных направлений развития промышленной экологии можно отнести следующее: 1. Очистка выбросов. Разрабатываются и внедряются все новые системы очистных сооружений, препятствующих попаданию вредных веществ в атмосферу и в водоемы. Однако проблема этим не решается - куда девать эти вещества после того, как они выделены в концентрированном виде из промышленных стоков или дыма. 2. Совершенствование технологии производства путем повторного использования отходов.
3. Совершенствование добывающих и промысловых отраслей промышленности. Здесь происходят практически неконтролируемые процессы разрушения ландшафтов, гибели пригодных для земледелия земель, загрязнения среды, непосредственное уничтожение растительного и животного мира планеты и т.п. 4. Переход на экологически более чистые источники энергии. 5. Снижение вредности транспорта. Это одна из важнейших проблем современных городов, которая напрямую связана с энергетической проблемой. Сейчас эту проблему пытаются решать с помощью соответствующих фильтров и оптимизацией конструкцией моторов, но рост численности автомобилей перекрывает все успехи в этом направлении. В природных экосистемах около 90% энергии расходуется на разложение и возвращение веществ в биогеохимический кругооборот. В социально-экономических системах около 90% материальных ресурсов переходит в отходы, а основное количество энергии используется в производстве и потреблении. Поэтому главной задачей промышленной экологии является нахождение путей для рационального использования природных ресурсов, предотвращения их исчерпания, деградации и загрязнения окружающей среды, а в конечном итоге - совмещение техногенного и биогеохимического кругооборотов веществ.
7 вопрос Воздействие организма на окружающую среду и этой среды на организм имеет экологический характер, а следовательно, может быть описано в экологических терминах. Заменив организм другим объектом, можно в тех же экологических терминах описать его воздействие на окружающую среду и, соответственно, окружающей среды на этот объект.
Если же в качестве объекта выбрать промышленное предприятие, например химическое производство, то в этом случае мы будем иметь дело с объектом промышленной экологии. Поясним это положение рис. 3.2. Разумеется, в этом случае часть экологических принципов и закономерностей, установленных для живого организма, остается в силе, а часть трансформируется или заменяется новыми.
Система представляет собой набор элементов, определенным образом связанных между собой. Выделим следующие свойства системы.
1. Наличие взаимодействия, взаимосвязи или взаимозависимости элементов системы. Каждое событие подвержено влиянию предыдущих событий и оказывает влияние на последующие. Это обстоятельство иногда называют историзмом (историчностью) систем.
Применительно к промышленному предприятию воздействие его на окружающую природную среду начинается на стадии изыскательских и строительных работ и может быть значительным.
2. Организация. Системы сложны и разнообразны, заранее не определены их границы и иерархия. Элементы анализируемой системы также заранее не определены. Можно отметить, что иерархия - расположение системы (целостного объекта) в порядке от высшего к низшему. Термин применяется для описания роли разных элементов в функционировании объектов, для установления категорий превосходства и подчинения.
3. Эмерджентность. Следствие иерархической организации элементов - это появление новых свойств системы, которые нельзя предсказать на основе свойств исходных элементов. Состояние системы определяется свойством составляющих се частей (подсистем), но система всегда больше.
4. Изменчивость. Ни одна реальная система не остается статичной в течение длительного времени. Элементы включаются или исключаются из нее в процессе эволюции, либо перемещаются за пределы системы. Как правило, существует тенденция к ухудшению характеристик системы во времени, если изменения невелики.
5. Противоинтуитивное поведение. Причина и следствие часто не имеют тесной взаимосвязи в пространстве и во времени. Очевидные решения могут привести в действительности к обострению проблемы, а не к ее решению.
6. Наличие окружающей (внешней) среды. Каждая система является подсистемой некоторой более крупной системы. Независимо от своего уровня, состава или сложности системы функционируют во взаимосвязи с внешней средой.
7. Открытость. Системы, взаимодействующие со своим окружением, называются открытыми. Все реальные системы открыты.
Рис. 3.4. Система "химическое производство - окружающая природная среда": сплошная линия - организованные потоки; пунктир - неорганизованные потоки (выбросы, сбросы, потери); ТБ - технологический блок; ЦП - целевой продукт; ЭС - экологическая система. Производственная среда: А - рабочее помещение (рабочая зона); Б - промышленная площадка, территория предприятия, зона В - окружающая природная среда (ОПС), природный территориальный комплекс, совокупность экологических систем различного уровня
8 вопрос влияние горнодобывающей промышленности на окружающую среду
при разработке угля происходит откачка карьерных и шахтных вод;
на поверхность выноситься большое количество пустых пород, что сопровождается выбросами вредных газов и пыли;
загрязнение водных ресурсов, почвы и атмосферы;
деформация земной поверхности и углесодержащих пластов;
происходит изменение гидрогеологических, атмосферных и почвенных условий в зонах горных разработок;
образование депрессионных воронок, площадь которых может достигать сотен квадратных километров;
обмеление или полное исчезновение рек и ручьев;
затопление или заболачивание отработанных территорий;
обезвоживание, засоление почвенного слоя, в результате чего наносится вред земельным и водным ресурсам;
ухудшение состава воздуха, изменение облика поверхности земли;
9 вопрос
На долю предприятий черной металлургии приходится 15-20 % общих загрязнений атмосферы промышленностью. В среднем на 1 млн т годовой производительности заводов черной металлургии выделение пыли составляет 350 т/сутки, сернистого ангидрида — 200, оксида углерода — 400, оксидов азота — 42 т/сутки.
Черная металлургия является одним из крупных потребителей воды. Водопотребление её составляет 12-15 % общего потребления воды промышленными предприятиями страны. На охлаждение оборудования используется 49 % воды, очистку газов и воздуха — 26, гидротранспорт —11, обработку и отделку металла — 12, прочие процессы — 2% воды. Безвозвратные потери связаны с испарением и уносом воды в системах оборотного водоснабжения, с приготовлением химически очищенной воды, с потерями в технологических процессах, составляют 6-8 %. Остальная вода в виде стоков возвращается в водоемы. Около 60-70 % сточных вод относятся к «условно чистым» стокам, то есть имеют только повышенную температуру
Степень воздействия цветной металлургии на состояние природной среды аналогична нагрузке на окружающую среду предприятий черной металлургии. Ежегодно выбрасывается в атмосферу около 3000 тыс. т вредных веществ. Загрязнения атмосферы предприятиями цветной металлургии характеризуются в основном выбросом диоксида серы (75% от суммарного выброса в атмосферу), оксида углерода (10,5%) и пыли (10,4%). Источниками образования вредных выбросов при производстве глинозема, алюминия, меди, свинца, олова, цинка, никеля и драгоценных металлов являются различные виды печей (для спекания, выплавки, обжига, индукционные и др.), сушильные агрегаты, открытые склады. Ежегодно в цветной металлургии потребляется около 1200 млн. м3 свежей воды. Сточные воды загрязнены минеральными веществами, флотореагентами, большинство которых токсично (цианиды, ксантогенаты, нефтепродукты и др.), солями тяжелых металлов (медь, свинец, цинк, никель и т. д.), мышьяком, хлоридами и т. д. Крупные комбинаты цветной металлургии являются самыми мощными источниками загрязнения почвенных, т.к. продолжает преобладать открытый способ добычи минерального сырья.
10 вопрос Экология сельского хозяйства состоит в том влиянии, которое на него оказывает деятельность человека, с одной стороны, а с другой — во влиянии сельского хозяйства на природные экологические процессы и на организм человека.
Так как базисом сельскохозяйственного производства является почва, то продуктивность этой отрасли хозяйства зависит от состояния почв. Хозяйственная деятельность человека приводит к деградации почв, в результате чего ежегодно с поверхности Земли исчезает до 25 млн. м2 пахотного слоя почвы. Данное явление получило название «дезертификации», т. е. процесс превращения пахотных земель в пустыни. Выделяют несколько причин деградации почв. К ним относят:
1. Эрозию почв, т.е. механическое разрушение почвы под воздействием воды и ветра (эрозия может протекать и в результате воздействия человека при нерациональной организации поливов и применения тяжелой техники).
2. Опустынивание поверхности — резкое изменение водного режима, приводящее к иссушению и большой потере влаги.
3. Токсификация — заражение почв различными веществами, отрицательно воздействующими на почвенные и другие организмы (засоление, накопление пестицидов и т. д.).
4. Прямые потери почв за счет их отвода под городские постройки, дороги, линии электропередач и т. д.
Промышленная деятельность в разных отраслях приводит к загрязнению литосферы, а это в первую очередь относится к почвам. Да и само сельское хозяйство, превратившееся в настоящее время в агропромышленный комплекс, может оказывать отрицательное воздействие на состояние почв (см. проблему использования удобрений, пестицидов). Деградация почв приводит к потере урожая и к обострению продовольственной проблемы.
Сельское хозяйство (агропромышленный комплекс) широко использует различную технику и оборудование, позволяющее механизировать и автоматизировать труд работников, занятых в данной отрасли. Применение автотранспорта создает те же проблемы экологического характера, что и в сфере транспорта. Предприятия, связанные с переработкой сельскохозяйственной продукции, оказывают на среду обитания такое же влияние, как и предприятия пищевой промышленности.
11 вопрос Этап химической эволюции.
На этом этапе происходил абиогенный синтез органических мономеров. Вы уже знаете, что древняя атмосфера Земли была насыщена вулканическими газами, в состав которых входили оксиды серы, азота, аммиак, оксиды и двуоксиды углерода, пары воды и ряд других веществ. Активная вулканическая деятельность, сопровождавшаяся выбросами больших масс радиоактивных компонентов, сильные и частые электрические разряды во время практически не прекращающихся гроз, а также ультрафиолетовое излучение способствовали образованию органических соединений. Древняя атмосфера не содержала свободного кислорода, поэтому органические соединения не окислялись и могли накапливаться в теплых и даже кипящих водах различных водоемов, постепенно усложняться по строению, формируя так называемый «первичный бульон». Продолжительность этих процессов составляла многие миллионы и десятки миллионов лет.
Биологический этап эволюции. ЭВОЛЮЦИЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ -процесс развития биосферы от образования живых объектов до совр. её состояния.
Выделяют след, этапы происхождения жизни:
1) синтез осн. биологически важных молекул: Сахаров, липидов, нуклеотидов, аминокислот и их случайных полимеров; образование комплексных структур, содержащих полипептиды в липидной оболочке;
2) образование комплексов из полинуклеотидов и белков, способных к комплементарной ауторепродукции (гиперциклов); образование единого биол. кода;
3) образование многообразия живых объектов, существующих за счёт материалов, накопленных в предбиол. период (анаэробы);
4) появление организмов, способных усваивать энергию света, разлагать воду и использовать продукты разложения (кислород и восстановленные органич. вещества) для биосинтеза; образование структуры трофич. уровней, биоценозов и формирование совр. биосферы;
5) появление разумных живых существ.
12 вопрос
Поддержание жизнедеятельности организмов и круговорот вещества в экосистемах, т. е. существование экосистем, зависит от постоянного притока энергии, необходимой всем организмам для их жизнедеятельности и самовоспроизведения
В отличие от веществ, непрерывно циркулирующих по разным блокам экосистемы, которые всегда могут повторно использоваться, входить в круговорот, энергия может быть использована только раз, т. е. имеет место линейный поток энергии через экосистему.
Одностороний приток энергии как универсальное явление природы происходит в результате действия законов термодинамики. Первый закон гласит, что энергия может превращаться из одной формы (например, света) в другую (например, потенциальную энергию пищи), но не может быть создана или уничтожена.Второй закон утверждает, что не может быть ни одного процесса, связанного с превращением энергии, без потерь некоторой ее части. Определенное количество энергии в таких превращениях рассеивается в недоступную тепловую энергию, а следовательно, теряется. Отсюда не может быть превращений, к примеру, пищевых веществ в вещество, из которого состоит тело организма, идущих со 100-процентной эффективностью.
Таким образом, живые организмы являются преобразователями энергии. И каждый раз, когда происходит превращение энергии, часть ее теряется в виде тепла. В конечном итоге вся энергия, поступающая в биотический круговорот экосистемы, рассеивается в виде тепла. Живые организмы фактически не используют тепло как источник энергии для совершения работы — они используют свет и химическую энергию.
13 вопрос
Устойчивость — это способность биосферы сохранять в основных чертах свою структуру и характер связей между элементами системы, несмотря на внешние воздействия. Условия, обеспечивающие такое состояние системы, называют механизмом устойчивости. Назовем основные механизмы устойчивости биосферы.
1. Одним из механизмов устойчивости биосферы является неизменное положение Земли в космосе в течение длительного промежутка времени (не менее 4 млрд лет), определяющее постоянство поступления солнечной энергии (солнечная постоянная). Солнечная постоянная определяет, в свою очередь, земные константы живого вещества: массу (около 1013 т), запасенную в химических связях энергию (около 1018 ккал), средний химический состав биогенных элементов (кислорода, водорода, углерода, азота).
2. Наиболее важным для сохранения устойчивости биосферы является цикличность ее функционирования (от греч. kyklos - «кругооборот») - то есть многократное использование биогенных веществ, которое лежит в основе биологического круговорота. Водород, кислород, углерод, азот, фосфор и другие биогенные элементы совершают в экосистеме постоянные и многократные миграции между телами живых организмов и физической средой.
3. Устойчивость биосферы обусловлена также проявлением геохимической функции живого вещества, реализуемой через питание, дыхание, размножение и смерть организмов. Участие живого вещества в биологическом круговороте, сбалансированное равновесие количества получения ресурсов (органических веществ, минерального питания и солнечной энергии) и их расходования — одно из важных условий поддержания устойчивости экосистемы.
4. Многочисленные исследования по выявлению закономерностей существования экосистемы показали, что в поддержании устойчивости системы особенно большое значение имеют избыточность информации и обратная связь (петля управления).
5. В биологическом круговороте между живой и неживой частями экосистемы осуществляется направленный поток энергии и химических веществ (миграция атомов). Этот процесс совершается не в самой биосфере, а в ее конкретных компонентах — биогеоценозах.
6. Как условие сохранения устойчивости экосистемы большое значение имеет ее сложность. Чем более сложной является ее структура и чем выше степень упорядоченности, тем более устойчивой она оказывается. Устойчивость глобальной экосистемы находится в прямой зависимости от того, насколько велико количество компонентов, способных поддержать ее функционирование.
7. Антропогенное воздействие также влияет на устойчивость биосферы. По вине человека многие биогеоценозы и водные экосистемы сейчас теряют устойчивость, так как его длительность приобрела разрушающий, деградирующий природу характер.
14 вопрос
По требованию к условиям освещения принято делить растения на следующие экологические группы:
1) светолюбивые (световые), или гелиофиты, – растения открытых, постоянно хорошо освещаемых местообитаний (степная зона, русский василек);
2) тенелюбивые (теневые), или сциофиты, – растения нижних ярусов тенистых лесов, пещер и глубоководные растения; они плохо переносят сильное освещение прямыми солнечными лучами;
3) теневыносливые, или факультативные гелиофиты, – могут переносить большее или меньшее затенение, но хорошо растут и на свету; они легче других растений перестраиваются под влиянием изменяющихся условий освещения.
15 вопрос
Человек может вызвать резкое снижение плотности некоторых популяций или даже их исчезновение. Основные причины, способные повредить популяции, следующие.
Чрезмерная добыча. Каждая популяция в естественных экосистемах находится под контролем «сверху» и «снизу». «Снизу» ее контролирует количество ресурсов, а «сверху» – организмы, которые используют эту популяцию как ресурс. Любая популяция имеет «запас прочности», т.е. может сохраняться при некотором изменении влияния контролирующих факторов (как «сверху», так и «снизу»). Если определенную часть популяции изымает человек, то она компенсирует потери за счет более интенсивного размножения. Так человек влияет на популяции зайцев, белок, соболей, лосей, уток, промысловых рыб, лекарственных и декоративных растений.
Разрушение местообитаний. Это вторая по значимости причина снижения плотности популяций. Выпас уплотняет почву и обедняет видовой состав лугов и степей. В европейской части России популяции ковылей, таких, как ковыль красивейший, ковыль Лессинга и даже самый обычный ковыль перистый, стали редкими в составе степных травостоев. Многие популяции насекомых исчезли вследствие распашки степей и освоения целины. Разрушают местообитания популяций туристы и отдыхающие в пригородной зоне горожане. Водные местообитания разрушает быстроходный транспорт. Волнобой, возникающий при его проходе, губит молодь рыбы. Гибнет рыба и от столкновения с моторными лодками.
Вселение новых видов. Человек проводит преднамеренное вселение (интродукцию) видов в различные районы планеты. Многие виды попадают в новые для них районы «самостоятельно» как заносные. Пришельцы могут вытеснять местные виды, разрушая их популяции (например, американская норка вытесняет европейскую). Нередко вселенные виды оказываются в более выгодном положении, чем местные, так как в новых местообитаниях у них меньше конкурентов, паразитов или хищников. В таком выгодном положении оказался колорадский жук, занесенный в Европу, где у него практически нет врагов.
Исключение видов, необходимых для контроля популяций. Не меньший ущерб популяции может нанести исключение вида, регулирующего ее плотность. Так, например, в 20-х годах нашего столетия в США на плато Кебаб, чтобы защитить оленей, был организован массовый отстрел волков. Вскоре олени так размножились, что вытоптали свои пастбища, начали голодать и болеть. В результате поголовье оленей не увеличилось, а уменьшилось.
Загрязнение среды. Популяции многих видов растений и животных снижают свою плотность и даже исчезают под влиянием загрязнения. Особенно страдают от загрязнения популяции водоемов, в которые попадают смытые с полей удобрения и пестициды, а также промышленные стоки. Первыми разрушаются популяции рыб в результате прямого отравления или гибели кормовых объектов. В реках исчезают стерлядь, хариус и другие виды. В озерах стали редкими такие растения, как папоротник сальвиния плавающая.
16 вопрос
Популяция - элементарная эволюционная единица, экологической признаком которой является плотность, распределение особей по возрасту и полу, характер размещения в пределах экосистемы или группировки, тип роста и др.. Экологическая структура популяции - это ее состояние на определенный момент (количество и плотность особей, их размещения в пространстве, соотношение групп по полу и возрасту, морфологические, поведенческие и другие особенности). Структура популяции представляет собой формы адаптации к условиям ее существования, является своеобразным отражением природных сил, которые на нее влияют. Нынешняя структура той или иной популяции отражает одновременно как прошлое, так и потенциальное будущее группировки. Численность популяции - общее количество особей на определенной территории или в определенном объеме (воды, почвы, воздуха), которые принадлежат к одной популяции. Различают непериодические (которые редко наблюдаются) и периодические (постоянные) колебания численности популяций. Плотность популяций - среднее количество особей на единицу площади или объема. Различают среднюю и экологическую плотности. Средняя плотность - это количество особей (или биомасса) на единицу всего пространства. Экологическая плотность - количество особей (или биомасса) на единицу заселенности пространства (т.е. доступной площади или объема, которые фактически могут быть заняты популяцией). При увеличении численности плотность популяции не растет лишь в случае ее расселения, расширение ареала.
Половая структура популяции представляет собой соотношение в ней особей разного пола.
Половая структура популяций
Генетический механизм определения пола обеспечивает расщепление потомства по полу в отношении 1:1, так называемое соотношение полов. Но из этого не следует, что такое же соотношение характерно для популяции в целом. Сцепленные с полом признаки часто определяют значительные различия в физиологии, экологии и поведении самок и самцов. В силу разной жизнеспособности мужского и женского организмов это первичное соотношение нередко отличается от вторичного и особенно от третичного — характерного для взрослых особей. Так, у человека вторичное соотношение полов составляет 100 девочек на 106 мальчиков, к 16-18 годам это соотношение из-за повышенной мужской смертности выравнивается и к 50 годам составляет 85 мужчин на 100 женщин, а к 80 годам — 50 мужчин на 100 женщин.
Соотношение полов в популяции устанавливается не только по генетическим законам, но и в определенной мере под влиянием среды обитания.
Возрастная структура популяций
Возрастная структура популяции — соотношение в составе популяции особей разного возраста, представляющих один или разные приплоды одного или нескольких поколений.
Рождаемость и смертность, динамика численности напрямую связаны с возрастной структурой популяции. Популяция состоит из разных по возрасту и полу особей. Для каждого вида, а иногда и для каждой популяции внутри вида характерны свои соотношения возрастных групп. По отношению к популяции обычно выделяют три экологических возраста: предрепродуктивный, репродуктивный и пострепродуктивный.
С возрастом требования особи к среде и устойчивость к отдельным ее факторам закономерно и весьма существенно изменяются. На разных стадиях онтогенеза могут происходить смена сред обитания, изменение типа питания, характера передвижения, обшей активности организмов.
Возрастные различия в популяции существенно усиливают ее экологическую неоднородность и, следовательно, сопротивляемость среде. Повышается вероятность того, что при сильных отклонениях условий от нормы в популяции сохранится хотя бы часть жизнеспособных особей, и она сможет продолжить свое существование.
Возрастная структура популяций имеет приспособительный характер. Она формируется на основе биологических свойств вида, но всегда отражает также силу воздействия факторов окружающей среды.
17 вопрос
Динамические показатели популяции
Рождаемость (скорость рождаемости) — число новых особей, появившихся в популяции за единицу времени в результате размножения.
Различают максимальную и фактическую рождаемость. Максимальная рождаемость — максимальная реализация возможности рождения при отсутствии лимитирующих факторов среды.Фактическая рождаемость -реальная реализация возможности рождения.
Различают абсолютную и удельную рождаемость. Абсолютная (общая) рождаемость - число особей (яиц, семян и т. п.), родившихся (отложенных, продуцированных и т. д.) за некоторый промежуток времени. Удельная рождаемость - отношение скорости рождаемости к исходной численности.
Эта величина зависит от интенсивности размножения особей: для бактерий - час, для фитопланктона - сутки, для насекомых - неделя или месяц, для крупных млекопитающих - год.
Смертность (скорость смертности) - число особей, погибших в популяции за единицу времени (от хищников, болезней, старости и других причин). Смертность - величин обратная рождаемости.
Различают минимальную и фактическую смертность. Минимальная смертность - минимально возможная величина смертности. Фактическая смертность - реальная величин смертности. Различают абсолютную и удельную смертность.
Скорость роста популяции - изменение численности популяции за единицу времени. Скорость роста популяции может быть положительной, нулевой и отрицательной. Она зависит от показателей рождаемости, смертности и миграции (вселения - иммиграции и выселения - эмиграции). Увеличение (прибыль) численности происходит в результате рождаемоемости и иммиграции особей, а уменьшение (убыль) численности в результате смертности и эмиграции особей.
18 Вопрос Популяционные циклы.
Теория r/K-отбора — экологическая теория, определяющая две различные природные стратегии размножения живых организмов, при определённых обстоятельствах обеспечивающие оптимальную численность для данного вида. Теория была разработана двумя американскими экологами — Робертом МакАртуром и Эдвардом Уилсоном, и изложена ими в 1967 году в работе «Теория островной биогеографии» (англ. The Theory of Island Biogeography)[1][2]. Наибольшую популярность приобрела среди сторонников эвристического подхода. В 1990-х годах была подвергнута критике нескольких эмпирических исследований[3][4], после чего число её сторонников начало уменьшаться.
Численность мелких животных с малой продолжительностью жизни подвержена регулярным сезонным изменениям. Один вид может быть массовым весной, другой в начале лета, а третий еще позже, и таким образом в одном местообитании происходит сезонная сукцессия доминирующих форм. Подобные смены видов особенно характерны для планктонных сообществ, причем не только в морях, но и в озерах. Кроме того, численность вида может сильно колебаться от года к году. У крупных млекопитающих циклические изменения численности охватывают более продолжительный период, и для их оценки исследователи нередко используют различные косвенные данные, включая статистику заготовки пушнины. Например, у леммингов и песцов наблюдаются четырехлетние циклы, причем они совпадают по обе стороны Атлантики. Подобные колебания численности, возможно, связаны с климатическими циклами. Определенную роль играет и то обстоятельство, что при большой плотности популяции легче возникают эпидемические заболевания, в результате которых численность снижается до минимума; в дальнейшем она начинает вновь постепенно увеличиваться, и цикл повторяется.
Изменения численности популяций происходят и на протяжении геологических периодов времени по мере того, как одни виды постепенно уступают место другим. Непосредственно наблюдать такие процессы невозможно из-за их громадной временной протяженности, но что-то подобное можно увидеть в тех случаях, когда из-за человеческой деятельности, сравнимой по эффекту с геологическими явлениями, стремительно исчезают одни виды или интродуцируются новые виды в те области, где их раньше не было. Именно так обстояло дело с кроликами, завезенными в Австралию, европейскими крысами и мышами, завезенными в Америку, а также со многими вредителями растений, распространившимися в разных частях света.
19 вопрос
Причины колебания численности популяций: изменение количества пищи, погодных условий, экстремальные условия (наводнения, пожары и пр.). Резкое изменение численности под влиянием случайных факторов, превышение смертности над рождаемостью — возможные причины гибели популяции.
Продолжительность жизни представителей определенного поколения зависит от большого числа факторов. В демографии факторы смертности традиционно подразделяют на две большие группы: эндогенные (такие, как естественное старение организма, наследственные болезни, врожденные пороки и др. факторы обусловленные биологическими особенностями человеческого организма и его наследственностью) и экзогенные (связанные с действием внешней среды: несчастные случаи, травмы и отравления, инфекционные и паразитные болезни, острые заболевания органов дыхания и пищеварения и некоторые другие).
20 вопрос
Экологические стратегии популяций отличаются большим разнообразием. Но при этом все их многообразие заключено между двумя типами эволюционного отбора, которые обозначаются константами логистического уравнения: r-стратегия и К-стратегия.
r-стратеги (r-виды, r-популяции) – популяции из быстро размножающихся, но менее конкурентоспособных особей. Имеют J-образную кривую роста численности, не зависящую от плотности популяции. Такие популяции быстро расселяются, но они малоустойчивы, к ним относятся бактерии, тли, однолетние растения и др.
К-стратеги (К-виды, К-популяции) – популяции из медленно размножающихся, но более конкурентоспособных особей. Имеют S-образную кривую роста численности, зависящую от плотности популяции. Такие популяции населяют стабильные местообитания. К ним относятся человек, деревья и др.
Следует отметить, что одну и ту же среду обитания разные популяции могут использовать по-разному, поэтому в одном и том же местообитании могут сосуществовать виды с r- и К-стратегиями. Между этими крайними стратегиями существуют переходы. Ни один из видов не подвержен только r- или только К-отбору.
21 вопрос
Фитоценоз, или растительное сообщество, – совокупность растений, произрастающих совместно на однородной территории, характеризующаяся определенным составом, строением, сложением и взаимоотношениями растений как друг с другом, так и с условиями среды. Характер этих взаимоотношений определяется, с одной стороны, жизненными, иначе, экологическими свойствами растений, с другой стороны, свойствами местообитания, т. е. характером климата, почвы и влиянием человека и животных …".
Существенные признаки фитоценоза – фитоценотические отношения (отношения между растениями) и наличие фитоценотической среды.
Создание фитосреды – первый по времени появления признак фитоценоза, т.к. воздействие растительных организмов на среду уже может быть там, где еще нет влияния растений друг на друга. ФИТОЦЕНОТИЧЕСКАЯ СРЕДА начинает формироваться еще в то время, когда отдельные растения, появившиеся на ранее лишенной или не имевшей связного растительного покрова территории, растут разобщено, не образуя сплошного покрова.
Наличие фитоценотических отношений – наиболее существенная особенность фитоценоза, но ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЖДУ РАСТЕНИЯМИ начинается несколько позже, чем воздействие растений на их местообитание. Оно может иметь место только при определенной густоте растительного покрова. Однако подметить этот момент, когда начинается взаимодействие между растениями, очень трудно, поскольку оно не всегда предполагает прямой контакт между организмами.
Между фитоценозами могут быть резкие границы, но чаще же переходы постепенны, незаметны. Этим вызваны трудности выделения фитоценозов. Постепенность переходов от одного типа фитоценоза к другому – следствие постепенного изменения экологических условий местообитания. Если изменяющиеся значения какого-либо фактора (например, условий увлажнения, засоления и т. д.) нанести на график, то им будут соответствовать и постепенно сменяющие друг друга сочетания видов растений. Исходя из этого, Л.Г. Раменским было разработано учение онепрерывности растительного покрова (московская школа геоботаники), или, как его часто называют, учение оконтинууме . Как указывает Л.Г. Раменский (1910, 1925, 1937, 1938), "…способность растений образовывать разнообразные сочетания прямо-таки неисчерпаема…", т.е. число ассоциаций неограниченно.
Многие ученые, следуя этому учению, не признают реальность существования фитоценозов. Вопрос о выделении (на графике и на местности) границ того или иного фитоценоза оказывается, по Л.Г. Раменскому, до некоторой степени условным и зависит не только от родства этого фитоценоза с соседними, но и от "целевой установки, работы". Иными словами, границы между двумя фитоценозами могут отсутствовать и в разных случаях или разными исследователями могут быть проведены неодинаково.
22 вопрос
В трактовке И.Г. Серебрякова(1964), самого известного из российских ученых, когда-либо изучавших строение растений, " жизненная форма – это своеобразная внешняя форма организмов, обусловленная биологией развития и внутренней структурой их органов, формируется в определенных поч-венно-климатических условиях, как приспособление жизни к этоим условиям ", т.е. это форма организмов, приспособившихся к своей среде обитания под длительным влиянием комплекса факторов. Его же определение, но более короткое: « Жизненная форма растения – это его габитус (внешняя форма вида), связанный с ритмом развития и приспособленный к современным и прошлым условиям среды ».
Под структурой растительного сообщества понимается распределение надземной и подземной массы растений в пространстве. Пространственная структура растительного сообщества включает: надземную и подземную ярусность, синузиальность и мозаичность фитоценоза.