Положительные взаимодействия

В природе не менее важное значение, чем хищничество и другие отрицательные взаимодействия, направленные на уменьшение численности популяции, имеют ассоциации двух видов, благоприятные для обоих.

Наиболее простой тип положительных взаимодействий - комменсализм, при котором одна популяция извлекает пользу от объединения, а для другой это безразлично. Такой тип взаимодействия широко распространен в природе, например, грифы-падальщики кормятся остатками добычи хищников, рыбы-прилипалы и рыбы-лоцманы сопровождают акул. Особенно часто комменсализм можно наблюдать в океане. Пример комменсализма - использование одними видами других в качестве укрытия.

При более тесном взаимодействии - кооперации - выгоду получают обе популяции. По мнению У. Олли, кооперация в природе распространена очень широко, она встречается повсюду. В качестве примера можно привести объединение крабов и кишечнополостных.

Кишечнополостные прикрепляются к спине крабов, обеспечивая им защитные функции. В то же время они питаются остатками пищи крабов и используют их в качестве транспортного средства. В этом случае ни крабы, ни кишечнополостные полностью не зависят друг от друга, но такое сотрудничество выгодно и тем, и другим.

Следующий тип положительного взаимодействия - мутуализм, обязательная зависимость популяций друг от друга. Мутуализм приносит пользу двум видам, которая чаще всего состоит в том, что один из партнеров использует другого в качестве пищевых ресурсов, а другой получает защиту от врагов или благоприятные для роста и размножения условия и при этом одновременно опыляет растения, распространяет семена и т.п.

По мнению многих ученых, от мутуалистических отношений организмов зависит образование значительной доли биомассы планеты.

В качестве примера мутуализма, включающего поведенческие взаимосвязи, можно привести взаимодействие африканской птицы медоуказчика и млекопитающего медоеда. Медоуказчик специализируется по разыскиванию пчелиных гнезд и приводит к ним медоеда. Медоед вскрывает гнездо и поедает личинки и мед, а медоуказчик питается остатками его трапезы. Птица могла бы сама разыскивать гнезда пчел, но не смогла бы их вскрыть, а медоед, наоборот, вскрывает гнезда, но с трудом их находит.

Один из видов мутуализма - разведение человеком растений и животных, многие виды которых сохранились лишь благодаря его вмешательству, продиктованному корыстными интересами.

2. Круговорот фосфора

Минеральный фосфор — довольно редкий элемент: содержание его в земной коре не превышает 1%. Источниками неорганического фосфора явля­ются изверженные горные породы — апатиты и древние осадочные — фос­фориты. Запасы фосфора, доступные живым организмам, полностью сосредо­точены в литосфере. Фосфор является жизненно важным элементом для всех организмов, т.к. они используют его в качестве основного компонента биоло­гических молекул, аккумулирующих все виды энергии и распределяющих ее в зависимости от потребностей организма. Неорганический фосфор поглощает­ся растениями и включается таким образом в пищевую сеть. Общий круговорот фосфора (рис. 1) состоит как бы из двух частей: назем­ной и морской, причем основные этапы круговорота протекают в океане. В процессе эрозии и выветривания суши фосфаты высвобождаются из пород и осадков. Одна часть освобожденных фосфатов поглощается наземными эко­системами. Через растения фосфор включается в пищевую сеть, затем вместе с трупами и отходами он возвращается в почву, где под действием микроорга­низмов превращается в готовые к употреблению зелеными растениями ортофосфаты — минеральные соли ортофосфорной (или просто фосфорной) ки­слоты. Другая часть, большая, выщелачивается и выносится в океан с водны­ми стоками.

Рис. 1 Круговорот фосфора.

В океане основная часть поступившего фосфора захоранивается в глубо­ководных донных осадках и выпадает из круговорота, а остальная часть переходит в состав фитопланктона [греч. фитон — растение; планктос — блуж­дающий] — совокупности микроскопических растений, главным образом во­дорослей, обитающих на глубине до 150 метров в морских и пресных водах и пассивно передвигающихся под влиянием водных течений. Фитопланктон служит важнейшим источником кислорода и органических веществ, т.е. пи­щей, для других обитателей водной среды. Возврат некоторого количества фосфора на сушу возможен лишь благодаря рыболовству и птицам, высохший, помет которых [исп. гуано] в больших количествах скапливается у берегов Чили и Перу, а также в Южной Африке.

Сегодня значительное количество фосфора добывается человеком с це­лью использования в качестве удобрений, при этом большая его часть в конце* концов захоранивается в глубоководных океанических осадках, что рано или_; поздно, но не в ближайшем будущем, приведет к дефициту фосфора в среде обитания.

Итак, фосфор является наиболее слабым звеном в круговороте веществ и фактором, лимитирующим рост автотрофных организмов, которые обеспечи­вают стабильное существование биосферы. По существу, можно считать фос­фор главным регулятором всех других биогеохимических круговоротов.

Представление о количественных характеристиках круговоротов вещест­ва могут дать следующие цифры. Подсчитано, что весь кислород, содержа­щийся в атмосфере (масса его составляет 1,2 квадриллионов (10¹⁵) тонн), обо­рачивается через организмы (связываясь через дыхание и высвобождаясь при фотосинтезе) за 2 тысячи лет, вся атмосферная углекислота совершает круго­ворот в обратном направлении за 300 лет, все воды на Земле (1450 квадрил­лионов тонн) разлагаются и воссоздаются путем фотосинтеза и дыхания за 2 миллиона лет.

Кроме воды, углерода, кислорода, азота, серы, фосфора в биосфере цир­кулируют многие другие вещества, однако с точки зрения их значимости для живых организмов и роли в решении проблем среды обитания перечисленные вещества относятся к числу важнейших.

3.Выполнить практические работы №1 и №4. Ваш вариант в указанных работах-№6.

Практическая работа №1

Задание по работе:

1. Для предприятия "ЗАРЯ", рассчитать уровни загрязне­ния атмосферного воздуха выбросами предприятия на расстоянии 500 м от источника выбросов.

2. Основываясь на сравнении полученных при расчете значений концен­трации загрязняющих веществ с величиной ПДК_СС, сделать выводы о влия­нии каждого из загрязняющих веществ на расчетную точку территории города.

3. Представить отчет по работе.

Задание выполнено в Microsoft Excel (pr.xls)

4. Правильно ли сделали измерение БПК сточной воды, если замер пока­зал БПК = 100 мг х л ^-1, а замер ХПК = 150 мг х л ^-1?

Измерение было неверным, так как смесь бихромата калия и серной кислоты окисляет практически все органические вещества, содержа­щиеся в загрязненной воде, даже те, которые микроорганизмы окислять не могут. Следовательно, метод ХПК дает более высокие значения содержания органики, чем метод БПК.

5. Какое сочетание свойств воды и температурных условий на Земле было решающим для возникновения жизни?

Жизнь возникла на основе круговорота органичного вещества, обу­словленного взаимодействием процессов его синтеза и разрушения (деструк­ция). Это произошло вследствие того, что из общего геологического кругово­рота веществ выделился биотический круговорот. Живое вещество, образо­вавшись на Земле, вовлекло в грандиозный круговорот все элементы ее по­верхности. Так начался процесс создания биосферы, продолжающийся до на­стоящего времени. Вначале биосфера функционировала как взаимодействие одноклеточных синтетиков и деструкторов между собой и биотическими факторами. Затем появились многоклеточные организмы. Они развились до современных форм, но тем не менее, прогрессивная эволюция биосферы не возможна без сохранения ее основы — круговорота органического вещества, регулируемого в основном деятельностью одноклеточных органов. Как не могут нормально функционировать клетки мозга без по­чек, печени, крови, так же невозможно существование и различных высших форм жизни без низших. Низшие одноклеточные — необходимая составная часть биосферы, обеспечивающая ее нормальное функционирование, а сле­довательно, и возможность прогрессивного развития.

Основные этапы эволюции биосферы как глобальной среды жизни на Земле иногда целесообразно рассматривать с точки зрения закономерности и последовательности формирования основных сред жизни. С этой позиции четко выделяются пять исторических этапов эволюции биосферы:

I — возникновение и развитие жизни в воде;

II — появление у гидробионтов симбионтов (паразиты, мутуалисты и др.), т. е. формирование

новой среды жизни — организмов-хозяев;

III — заселение организмами суши со сформировавшимися новым среда­ми жизни: наземно-

воздушной и почвой;

IV — появление человека и превращение его из обычного биологическо­го вида в биосоциальное

существо;

V — переход биосферы под влиянием разумной деятельности человека в новое качественное

состояние — в ноосферу.

Наиболее универсальные условия существования для преобладающего большинства видов живых существ — это наличие жидкой воды, определенных минимумов концентраций биогенных элементов - С, О, Н, N, S, Р, а так­же ионов К, Na, Ca, Mg и поток лучистой энергии в диапазоне температур от —50 до +50°С.

Наибольшее значение среди экологических факторов имеют факторы, характеризующие доступность для организмов различных форм вещества и энергии, временные изменения которых подчиняются законам сохранения. Подобные факторы называются ресурсами. Например, ресурсы пространства, энергии, света, тепла, влаги, кислорода, минеральной и органической пищи.

6. Назовите источники поступления в атмосферу парниковых газов.

Ответ:

Парниковые газы - это газы усиливаю­щие парниковый эффект. В зависимости от природы происхождения можно выделить следующие типы загрязнений окружающей среды:

1. физические загрязнения - радиоактивные вещества, электромагнитные излучения, тепловое загрязнение, шумы и вибрация;

2. химические загрязнения - производные углерода и серы, углеводоро­ды, моющие средства, пестициды, фтористые соединения, тяжелые металлы, аэрозоли (дисперсные системы, состоящие из твердых или жидких частиц, взвешенных в газообразной среде);

3. биологические загрязнения - болезнетворные бактерии и вирусы, гельминты, простейшие, нарушения биоценозов из-за неумелого внедрения новых видов организмов;

4. эстетический вред - нарушение естественных ландшафтов грубой ур­банизацией, строительство индустриальных центров в девственных лесах и Др.

Загрязнение атмосферы характеризуется присутствием в ней множества примесей к основным компонентам воздуха. Поло­жение осложняется тем, что два или более загрязнителей при совместном воздействии могут давать эффект, существенно превосходящий сумму дейст­вий каждого из них .

Основные загрязнители атмосферы концентрируют­ся в ее нижнем слое - тропосфере, содержащей около 80 % всей массы атмо­сферы и почти весь водяной пар.

Оксиды углерода - СО₂ и СО. При сжигании органического топлива об­разуются оба вида оксидов и оба являются загрязнителями атмосферы. Масса углекислого газа в атмосфере составляет 2,25-10¹² тонн. В послед­ние годы мировой выброс СС>2 в атмосферу превысил отметку в 15,4 млрд. т/год. Повышение концентрации СО₂ в некоторых пределах способст­вует увеличению интенсивности фотосинтеза, а следовательно, и продуктив­ности растений, однако возможности продуцентов не компенсируют полно­стью избыток концентрации углекислого газа. В итоге количество СО₂ в ат­мосфере каждые 10 лет возрастает на 2 %, что способствует усилению парни­кового эффекта, т.е. постепенному потеплению климата на нашей планете вследствие увеличения концентрации в атмосфере антропогенных примесей. Главным поставщиком СО в атмосферу являются бензиновые двигатели, вторым - сжигание угля, древесины и другого органического топлива.

При сжигании каждого миллиона тонн угля выделяется около 25 т. серы. Производные от химических реакций - окислы серы, двуокись серы, не только является главным фактором образования кислотных дождей, которые закисляют озера и несут ответственность за широкомасштабную гибель лесов во многих странах, но также конкурирует во время световой фазы фотосинтеза с углекислым газом, тем самым нарушая физиологию растений.

Оксиды азота - NO, NO₂ и N₂O₄. Хотя окись азота NО и образуется в довольно значительных количествах в природе при лесных пожарах, однако высокие концентрации окислов азота в городах и в окрестностях промышлен­ных предприятий связаны с деятельностью человека. Оксиды азота образуют­ся потому, что процесс горения происходит в воздухе, который содержит 21 % кислорода 78 % азота. При высокотемпературном сгорании природного то­плива происходят реакции двух типов, в результате которых образуются окислы азота.

Сжигание ископаемого топлива дает приблизительно 95 % годового вы­броса окислов азота в атмосферу. Еще два источника выбросов производство азотной кислоты и взрывчатых веществ - не связаны с процессом сжигания топлива.

В результате выбросов окислов азота ежегодно в атмосфере Земли обра­зуется приблизительно 60 млн. тонн No₂. В атмосфере перекись азота вступа­ет в реакцию с парами воды и образует азотную кислоту. Азотная кислота, в свою очередь, реагируя с различными веществами, образует нитраты, которые затем выпадают на землю с осадками в виде минеральных аэрозолей. Основ­ную роль играет реакция с аммиаком NН₃ - главным продуктом естественного гниения органических веществ. В этой реакции образуется нитрат NH₄NO₃ -аммонийная селитра.

Помимо образования кислотных дождей, оксиды азота в атмосфере уча­ствуют в фотохимических реакциях с образованием фотохимических окисли­телей. Под действием световой энергии диоксид азота распадается на моноок­сид азота и атом кислорода, а последний соединяется с молекулой кислорода, давая озон (Оз). Такой процесс спонтанно обратим. Но если в атмосферном воздухе присутствуют углеводороды, то NO фотохимически реагирует с ними, образуя весьма агрессивные органические соединения - пероксиацилнитраты, а озон, вступая в реакции с углеводородами, образует не менее вред­ные соединения - альдегиды. Озон, двуокись азота, ПАН и альдегиды назы­ваются фотохимическими загрязнителями воздуха, поскольку они образуются входе реакций, возбужденных солнечным светом. Все они очень токсичны и способны окислить различные вещества, которые не может окислить кислород.

Углеводороды и их производные. Углеводороды, а также их производ­ные попадают в атмосферу многими путями. Большая их часть является побочными продуктами деятельности человека. Главным источником загрязнения атмосферного воздуха углеводородами служит двигатель внутреннего сгорания, из-за неполного сжигания жидкого топлива (50 % общего объема загрязнения), менее существен вклад нефтеперегонных заводов (14 %), перево­зок нефтепродуктов и других видов хозяйственной деятельности.

Из природных источников следует отметить хвойные деревья, которые выделяют высокоактивные углеводороды - терпены. Кроме того, из месторождений угля, газа, нефти, из болот, из-под воды, заливающей рисовые чеки, при пожарах, а также крупным рогатым скотом выделяется в больших количествах метан, который хотя и не вступает в реакции в атмосфере, но активно участвует в создании парникового эффекта.

Углеводороды, как уже отмечалось, играют важную роль в фотохимических реакциях в атмосфере с образованием ПАН и альдегидов. Однако при неполномом сгорании органического топлива происходит еще и синтез целого ряда циклических углеводородов, которые выбрасываются в воздух вместе с выхлопными газами.

Галогены и их производные. Биосфера испытывает сильное давление этих веществ, т.к. существует немало источников такого рода загрязнителей: хлорирование и фторирование воды; неполное сгорание пластмасс в процессе их утилизации - при этом образуются полихлорные бифенилы (ПХБ), которые обладают токсичными свойствами, подобными ДДТ; предприятия электрохи­мической металлургии; производство и широкое использование летучих орга­нических веществ растворителей, чистящих средств, хлорфторуглеродов (ХФУ).

Фтор в природе встречается только в химически связанном виде, глав­ным образом в минералах. Газообразный фтор F₂ - самый реакционноспособный неметалл; соединяется со всеми другими элементами, кроме Не, Nе и Аг.

Концентрация галогенов и их производных в атмосфере значительно ни­же, чем: метана, оксидов азота и других парниковых газов, однако они поглощают инфракрасное излучение в 50 - 100 раз сильнее, чем углекислый газ, поэтому их также относят к парни­ковым газам. Кроме того, свободный хлор, который выделяется в стратосферу из многих летучих соединений, в частности, из ХФУ, катализирует разруше­ние озона, что приводит к появлению озоновых "дыр", разрежению озонового слоя и в итоге к увеличению потока жесткого ультрафиолетового излучения, падающего на поверхность нашей планеты, - а это совершенно неприемлемо для биосферы.

Аэрозоли. Этим термином обозначают дисперсные системы, состоящие из твердых или жидких частиц, взвешенных в газообразной среде, к аэрозолям относятся также дымы и туманы. Аэрозольные частицы, как правило, электрически заряжены и большей частью они несут положительный заряд. Радиоактивные аэрозоли характеризуются чаще всего активной концентрацией, т.е. скоростью распада атомов в единице объема или активностью единицы объема атмосферного воздуха. Существенная часть аэрозолей в атмосферном воздухе образуется в результате пыльных бурь (после эрозии почв), морских штормов, лесных пожа­ров Однако главное значение имеет хозяйственная деятельность человека: открытые разработки угля и других полезных ископаемых, сжигание топлива, обогащение и обработка руд, выплавка и обработка металлов, производство асбеста, цемента, силикатов, удобрений и пестицидов и т.д.

Над планетой стоит промыш­ленный смог. Общее количество примесей, поступающих за год в атмосферу в результате деятельности человека, составляет около 200 млн. тонн более чем 20 химических элементов.

7. Единство и разнообразие живых систем. Термодинамика биологиче­ских систем.

Биологическая система - это динамически саморегулирующееся и, как правило саморазвивающееся и самовоспроизводящееся биологическое образование любой сложности (от макромолекулы до такой глобальной экосистемы, какой является наша планета Земля).

Система - греч. целое составленное из частей.

Единство и разнообразие живых систем. В живой природе, как и во всем материальном мире, практически бесконечное разнообразие возникает на основе сочетания немногих элементов. В состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в состав объектов неживой природы, но их количественное соотношение неодинаково. Только на шесть элементов — уг­лерод, кислород, водород, азот, серу и фосфор — приходится в среднем поч­ти 99% состава всех живых существ от вирусов до человека. Эти элементы называют биогенными. Их соединения образуют несколько десятков природных биомономеров (аминокислот, нуклеотидов, жирных кислот, Сахаров) и других органических веществ, различные сочетания которых, в свою очередь, дают уже огромное число индивидуальных биополимеров.

Термодинамика биологической системы заключается в следующем: любая живая система потреб­ляет энергию и расходует ее в виде работы и теплоты. Исторически этот факт послужил становлению термодинамики как науки и позволил приписать орга­низму свойства тепловой машины, подчиняющейся началам термодинамики.

• Первое из них представляет собой закон сохранения энергии. Приложимость его к живым системам надежно доказана, но не выявляет никакого отличия их от неживых систем.

• Второе начало термодинамики, называемое также законом энтропии, указывает, в каком направлении должны протекать естественные самопроизвольные процессы. Согласно этому закону в изолированных систе­мах энтропия — мера необратимости превращений энергии и одновременно мера структурной неупорядоченности — не может уменьшаться, она либо воз­растает, либо, в крайнем случае, не изменяется.

Однако при некоторых биоло­гических процессах, например, при эмбриональном развитии организма, структурная упорядоченность возрастает. Следовательно, неупорядоченность уменьшается. Но организм — открытая система. Противоречие закону энтро­пии снимается, если рассматривать в качестве единой системы организм вме­сте с окружающей средой. В данном случае физика вынуждена принять эколо­гическую модель.

Обсуждение применимости второго начала к живым системам составило целую эпоху. Оно существенно расширило горизонты самой термодинамики, включая неравновесную термодинамику важных биофизических и биохимиче­ских процессов. Современная термодинамика позволила дать новую трактовку фундаментальным биологическим явлениям. Возникновение жизни, образова­ние биосферы, прогрессивная эволюция долгое время не вписывались в об­щую физическую картину мира, считались термодинамически маловероятны­ми. Благодаря развитию термодинамики необратимых процессов, в частности, работам школы И.Пригожина, к настоящгму времени сформировалось пред­ставление, согласно которому по законам физики в открытых системах с пото­ком энергии вынужденно возникают динамические структуры в виде циклов, переносящих энергию, — упорядоченные круговороты вещества. При этом наиболее устойчивыми оказываются, и потому «отбираются» структуры, со­стоящие из нескольких взаимодействующие циклов, т.е. более сложные дина­мические структуры, которые лучше вписиваются в круговорот и эффективнее преобразуют проходящую через них энерию. Во многих случаях кажется, что они возникают сами по себе, и поэтому далекие называют самоорганизацией структур. Появилось целое направление исследования таких процессов — си­нергетика. Однако всегда существует внешний источник образования динами­ческих структур — поток энергии.

Теория динамических структур разрботана для химических и биофизи­ко-химических колебательных и цикличеких процессов. Но показана ее справедливость и для химической эволюции макросистем. Источником образова­ния динамических структур на Земле служит поток солнечной энергии, кото­рый вызывает и организует круговороты в массах вещества: от простых физи­ческих (воды и воздуха) до сложных, биологических.

Цикл синтеза и распада органических веществ в биосфере, названный биотическим круговоротом, возник на основе круговорота неорганических ве­ществ под воздействием потока солнечной энергии. Таким образом, явление эволюционного прогресса, т.е. появления и развития все более сложных и совершенных молекулярных и биологических структур, имеет определенную ма­териальную природу и подчиняется общим физическим законам.

8.Внутреннее облучение от космогенных радионуклидов.

Радиоактивные вещества создают радиационное воздействие на людей - внешнее и внутреннее облучение.

Внутреннее облучение - от вдыхания радиоактивных веществ, содержащихся в приземном слое воздуха, и упот­ребления в пищу продуктов питания и питьевой воды, загрязненных радио­нуклидами. всего 14 радионуклидов

Внешнее облучение - обусловленное естественными радионуклидами. В биосфере Земли содержится более 60 естественных радионуклидов. Их можно подразделить на две категории: первичные и космогенные.

Космогенные радионуклиды непрерывно образуются в основном в ат­мосфере при взаимодействии космического излучения преимущественно с ядрами атомов азота, кислорода и аргона, а затем поступают на земную по­верхность с атмосферными осадками. К ним относятся Н-3, С-14, Ве-7, Nа-22 и др. Главными реакциями образования С-14 и Н-3 являются:

¹⁴N + n  ¹²С + ³Н и ¹⁴N + n  ¹⁴С + р.

Тритий и радиоуглерод С-14 являются космогенными источниками последующего внутреннего облу­чения человека на Земле. Основными космогенными источниками внешнего облучения являются радионуклиды Ве-7, NA-22 и Nа-24, однако на уровне Земли они не вносят существенного вклада в суммарную дозу внешнего гам­ма-излучения.