1679

упорядоченности. Но здесь нет противоречия законам физики, так как эти процессы происходят только при постоянном подводе энергии в виде солнечного излучения. Сама возможность существования живых организмов обуславливается их способностью накапливать энергию путем преобразования полученной энергии Солнца в энергию химических связей.

Живые организмы извлекают из окружающей среды отрицательную энтропию – негэнтропию. При этом уменьшение энтропии возможно за счет постоянного рассеивания энергии (тепла) в окружающую среду и компенсации энергетических потерь постоянным притоком дополнительной энергии – энергии Солнца. То есть уменьшение энтропии живых существ происходит за счет увеличения энтропии окружающей среды.

16. Гомеостаз и устойчивость экологических систем. Сукцессия.

На экосистему воздействует большое количество факторов, которые стремятся вывести ее из состояния равновесия. Но природа имеет механизмы, направленные на поддержание равновесия. Таким образом, для экосистем характерно состояние подвижно-устойчивого равновесия.

Состояние подвижно-устойчивого равновесия экосистемы, обуславливающего ее устойчивость, называется гомеостазом (от лат. «гомео» – тот же, «стазис» – состояние).

Для поддержания стабильности системы необходима сбалансированность потоков вещества и энергии, процессов обмена веществ между организмом и окружающей средой. Основная причина неустойчивости экосистем – несбалансированность в них потоков веществ и энергии. Экосистема должна избавляться от ненужных продуктов и получать необходимые вещества из окружающей среды.

По принципу поддержания гомеостаза экосистемы делятся на открытые (в основном природные) и закрытые (многие антропогенные).

1)В открытых системах непрерывно поступает энергия и вещество из внешней (по отношению к экосистеме) среды (пр.: к растениям – поток солнечного излучения, химических веществ). Постоянно происходят процессы накопления и разложения вещества.

2)В закрытых экосистемах нет постоянного обмена веществом и энергией с внешней средой. Без вмешательства извне система нестабильна (быстро происходит нарушение равновесия).

Но даже в открытых экосистемах происходят медленные, постоянные изменения во времени, касающиеся в основном живых организмов. При этом происходит последовательная смена биоценозов под воздействием внешних факторов, называемая сукцессией (от лат. «сукцедо» – следую).

При сукцессии – смене биоценозов – происходит и постепенное изменение всех абиотических факторов, т.е. биотопа. Если развитие экосистемы

начинается на участке, который перед этим не был занят каким-либо сообществом – голом грунте без почвы (недавно вышедшая на поверхность скала, песок, остывшая лава), процесс называется первичной сукцессией. (Пр.: сукцессия после извержения вулкана на о. Кракатау (Индонезия) в 1883г. Большая часть острова исчезла, остался небольшой участок, засыпанный 60-метровым слоем пепла. Все живое было уничтожено, но через год уже нашли немного растительности и один вид пауков. Через 20 лет – 200 видов, через 50 – молодой лес.) Если развитие экосистемы происходит на площади, с которой предварительно удалено предыдущее сообщество (заброшенное поле или вырубка), то это будет вторичная сукцессия. Она протекает обычно быстрее первичной, поскольку на территории, которая ранее была уже занята, уже имеются некоторые организмы, осуществляющие обмен веществ со средой. (Пр.: на заброшенном поле сначала появляются травянистые растения, далее (в результате налета семян) – кустарники, затем деревья. Причем вначале появляются светолюбивые лиственные породы, а затем (под их тенью) – тенелюбивые хвойные.)

17. Экологические факторы среды: абиотические и биотические. Экологический фактор – это любое условие среды, способное

оказывать прямое или косвенное воздействие на живые организмы. Все экологические факторы можно разделить на две группы:

а) факторы неживой природы – абиотические – климатические, эдафогенные, орографические, химические; б) факторы живой природы – биотические – фитогенные, зоогенные, микробогенные, антропогенные.

Экологические факторы можно разделить на прямые и косвенные. Прямые связаны с непосредственным воздействием факторов на организмы (животные поедают растения); косвенные – с опосредованным воздействием (растения изменяют режим влажности и влияют на другие живые организмы).

Важной характеристикой всех экологических факторов является степень их периодичности. По этой классификации факторы делятся на периодические и непериодические.

а) периодические – факторы, связанные с периодичными процессами природы (напр., с вращением Земли и сменой времен года и суточной освещенности). Они действуют на протяжении значительного этапа жизни организма и обуславливают периодический тип динамики численности популяций. Живые организмы могут к ним адаптироваться; б) непериодические – не имеют правильной периодичности (стихийные

явления, антропогенные воздействия). В этом случае организмы не успевают выработать защитных реакций.

18. Абиотические факторы характеризуют воздействие на живые организмы факторов неживой природы:

а) климатические:

–Лучистая энергия Солнца: она распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн. Выявлена тесная связь между солнечной активностью и ритмом биологических процессов: чем интенсивнее солнечная активность, т.е. больше пятен на Солнце, тем больше возмущений – порывов солнечного ветра, что вызывает изменение атмосферной циркуляции, магнитные бури и т.д.

–Температура: она связана с солнечным излучением (особенно с инфракрасной частью света). Живые организмы могут существовать при

температурах от – 200 до + 100 С.

–Влажность: вода необходима для существования протоплазмы. Количество воды имеет значение и в наземных, и водных объектах. Влажность местности определяется влажностью атмосферного воздуха, количеством осадков, площадью водных запасов.

–Давление: перепады давления связаны с неодинаковым нагревом земной поверхности.

–Ветер – движение воздушных масс – является следствием перепада давления.

–Лунные ритмы – вызывают приливы и отливы, к которым приспособлены многие морские животные;

б) эдафогенные (почвенные):

–Механический состав – содержание частиц разной величины оказывает непосредственное воздействие на растения (обеспечивает проникновение корней растений в почву) и на подземные организмы, а через них – на другие живые организмы.

–Влагоемкость почв, т.е. ее способность удерживать влагу.

–Плотность и воздухопроницаемость;

в) орографические: высота над уровнем моря (животные приспосабливаются к определенной высоте), рельеф местности (влияет на наземные организмы, растения, на состав и интенсивность эрозии почв) , экспозиция склонов; г) химические: химический состав атмосферы (газовый состав воздуха),

гидросферы (солевой состав воды), литосферы (состав почвенных растворов).

19. Биотические факторы представляют собой совокупность влияния жизнедеятельности живых организмов на другие живые организмы и на окружающую среду:

а) фитогенные – факторы влияния растительных организмов. Любое растительное сообщество сильно влияет на абиотические условия

(например, лесные растения создают микроклимат в лесу.) Растения образуют первичное органическое вещество на Земле, т.е. обеспечивают пищей все остальные организмы. Поглощение и испарение воды растениями влияют на климат местности. Увлажняя воздух, задерживая движение ветра, изменяя световой режим, растительность создает особый микроклимат;

б) зоогенные – факторы влияния животных организмов. Животные влияют на растения (поедая их, используя для жилья, перенося семена, пыльцу, а также заболевания), в какой-то мере – на абиотические факторы (разрыхляя почву, изменяя рельеф местности), а также на других животных;

в) микробогенные – влияние микроорганизмов, которые оказывают воздействие на абиотические факторы, особенно на эдафогенный и химический, на все остальные живые организмы. Бактерии и грибы минерализуют часть растительного вещества, возвращая ее растениям, другая же часть органического вещества превращается в гумус – запас питания для растений;

г) антропогенные – влияние человека. В настоящее время происходит интенсивный рост антропогенного фактора, влияющего на большинство абиотических и биотических факторов. Так, примерами неблагоприятных воздействий со стороны антропогенных факторов могут быть воздействие промышленности, сельского хозяйства, урбанизация, испытание ядерного оружия и т.д.

Главное, все живые организмы взаимно необходимы друг другу. Угнетение или уничтожение одного вида отражается на других.

20. Законы минимума и максимума. Любому организму необходимы не вообще температура, влажность, вещества, а некие пределы, параметры экологических факторов. Для каждого вида существуют свои оптимальные параметры экологических факторов, при которых жизнедеятельность особей протекает нормально. Минимальные и максимальные границы экологических факторов определяются законами минимума и максимума.

Рис.3. Пределы толерантности: 1, 3 – зона угнетения;

Фактор

Закон минимума выдвинут основоположником агрохимии Ю. Либихом в 1840 г. Этот закон справедлив для различных экологических факторов и для различных организмов. Жизненные возможности организма лимитируют тот экологический фактор, количество которого близко к необходимому организму минимуму и дальнейшее снижение

которого ведет к гибели организма. (Пр.: нехватка витаминов, микроэлементов и т.д.) Закон минимума дополняется законом максимума американского ученого Шелфорда: увеличение интенсивности экологических факторов не может увеличить продуктивность организмов сверх существующих пределов, а избыток какого-либо фактора может привести к тяжелым отклонениям. (Пр.: избыток влаги (задыхание корней, гниение, закисание почвы), солнечного излучения, избыток витамина). Итак, среди всех экологических факторов сильнее действуют те, которые близки к максимально или минимально возможному значению. Факторы, присутствующие как в избытке, так и в недостатке и ограничивающие жизнедеятельность организма, называются лимитирующими. Законы о лимитирующих факторах упрощают изучение сложных экологических систем. При этом главное внимание уделяется только тем из множества экологических факторов, которые близки к необходимым организму максимуму или минимуму.

21. Толерантность.

Шелфорду принадлежит и формулировка закона толерантности, как бы суммирующего законы максимума и минимума: лимитирующим фактором процветания организма может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, диапазон между допустимыми минимумом и максимумом определяет величину выносливости (толерантности) организма к данному фактору.

Таким образом, толерантность – это способность организмов выносить отклонения экологических факторов от оптимальных для этих организмов значений.

Закон толерантности дополняют следующие положения:

а) организмы могут иметь широкий диапазон в отношении одного экологического фактора и узкий в отношении другого (пр.: растения по-разному реагируют на колебание температуры и воды в почве);

б) организмы с широким диапазоном толерантности в отношении всех факторов обычно наиболее распространены (пр.: воробей, журавль);

в) если условия по одному фактору не оптимальны, то диапазон толерантности может сузиться и в отношении других факторов (пр.: при понижении температуры организму требуется насыщение питательными веществами).

22. Адаптации. Жизненные формы.

Для каждого вида организмов существуют свои оптимальные параметры экологических факторов (свой диапазон толерантности). При постоянном воздействии какого-либо экологического фактора сверх лимитируемых пределов организм должен либо адаптироваться к новым параметрам, либо погибнуть. У различных видов организмов – различные способности к адаптации. Адаптациями называют эволюционно

выработанные и наследственно закрепленные особенности живых организмов, обеспечивающие их нормальную жизнедеятельность при колебании уровней экологических факторов.

Таким образом, организм не может изменить параметры экологических факторов и должен менять свою структуру или поведение. Различают следующие виды адаптаций:

–морфологические – изменение строения тела;

–физиологические – изменение строения внутренних органов (пр.: организм верблюда способен синтезировать воду при помощи окисления накопленного жира);

–поведенческие – изменение поведения (пр.: перелеты птиц – стремятся избежать экстремальных условий).

Иногда адаптации различных видов в сходных условиях приводят к одинаковым структурам (природа выбирает одно, наиболее перспективное направление). Пр.: пустынные растения – кактусы, молочаи – имеют одинаковые приспособления для выживания в пустыне. Группа видов, имеющая сходные приспособительные структуры для обитания в одинаковых условиях, называется жизненной формой. Внешне жизненные формы характеризуются схожестью строения тела и поведенческих признаков.

23. Экологическая валентность (пластичность). Организмы различа-

ются своей способностью к адаптации: одни адаптируются легко и быстро,

другие медленно и с трудом. Способность вида адаптироваться к экологическим факторам называется экологической валентностью, или пластичностью вида. Чем выше пластичность, тем легче происходит адаптация. Примеры узкого приспособления к своим биотопам – кактусы (приспособление к нехватке воды), кувшинки (к жизни в воде) и т.д. Существуют виды, способные жить в очень разных условиях, например одуванчик. Пластичность тесно связана с диапазонами толерантности: чем выше пластичность, тем шире пределы толерантности (пр.: воробей более пластичный вид, чем журавль).

24. Экологическая ниша организма.

Растения и животные могут обитать только там, где условия подходят для них. Каждый организм имеет свое место обитания – место, где он живет или где его обычно можно найти. В экологии существует более емкое понятие – экологическая ниша, включающее в себя не только физическое место, занимаемое организмом, но и его роль в сообществе, а также степень его адаптации к внешним факторам, т.е. положение относительно абиотических условий существования (температуры, давления и т.п.). Совокупность параметров всех факторов среды, при которых возможно существование данного вида, называется экологической нишей.

Для каждого вида существует свой набор оптимальных параметров экологических факторов, а значит, и своя экологическая ниша. Кроме того,

различают фундаментальную и реализованную ниши. Фундаментальная – та, которую вид мог бы занимать в отсутствии врагов, реализованная – имеющая место в действительности, всегда меньше фундаментальной.

Лекция 3. Прикладные аспекты экологии. Охрана окружающей природной среды

25. Природные ресурсы и их классификация.

Природные ресурсы – это запасы природных богатств, используемых человеком, т.е. средства существования людей, которые не созданы их трудом, но находятся в природе.

Ресурсы делятся на исчерпаемые и неисчерпаемые. Исчерпаемые ресурсы бывают возобновимыми, относительно возобновимыми и невозобновимыми.

Неисчерпаемыми являются космические, климатические, водные и воздушные ресурсы (но качественно – изменяются). Космические ресурсы

– солнечная радиация, энергия приливов и отливов; климатические – атмосферный воздух, энергия ветра, атмосферные осадки; водные – запасы воды на Земле.

Исчерпаемые ресурсы делятся на классы, в зависимости от возможности их восстановления и от скорости восстановления. Восстанавливаются ресурсы с разной скоростью: животные – несколько лет, леса – 60-80 лет, почва – тысячелетия. Возобновимые ресурсы – растительный, животный мир, некоторые минеральные ресурсы (например, соли). Но темпы расходов должны соответствовать темпам их возобновления, иначе ресурсы становятся невозобновимыми. Относительно возобновимые – почва – рыхлый поверхностный слой суши, способный давать урожай, создается очень медленно при участии климата и живых организмов). Сантиметровый слой почвы образуется несколько столетий, а разрушается за несколько лет или даже дней. Невозобновимые – совершенно не восстанавливаются или восстанавливаются значительно медленнее, чем потребляются (полезные ископаемые).

Кроме того, ресурсы можно классифицировать на заменимые (уголь, дрова для отопления) и незаменимые (кислород для дыхания).

Охрана природных ресурсов состоит в бережном рациональном использовании, меньшем потреблении, поиске заменителей.

26. Принципы рационального природопользования. Безотходные технологии.

При переходе от биосферы к ноосфере важным этапом является разработка и внедрение в жизнь принципов рационального природопользования. Человеку необходимо научиться так регулировать свою хозяйственную деятельность, чтобы удовлетворение его потребностей не шло вразрез с интересами окружающей среды. Следует рационально организовать систему управления природопользованием.

Существует две основные задачи, стоящие перед современными производителями, а именно: 1) сократить добычу и вовлечение в производство новых ресурсов; ввести строгий учет ресурсов + создание ресурсо- и энергосберегающих технологий); 2) с максимальной выгодой сократить количество отходов (создание безотходных технологий).

1) Первая задача состоит в уменьшении потребления природных ресурсов. На решение первой задачи направлена разработанная в нашей стране система кадастров, являющаяся основной формой учета управления природопользованием. Кадастр – это совокупность данных о качественном и количественном состоянии природных ресурсов с их эколого- социально-экономической оценкой. Т.е. в кадастре сведены все данные о количестве и местонахождении природных ресурсов, их качестве, дана оценка экологического состояния объектов и определены параметры потребления. В настоящее время действуют следующие основные кадастры: земельный, лесной, водный, запасов полезных ископаемых и др. Система кадастров предназначена для согласования показателей учета и потребления различных природных ресурсов. Система кадастров позволит разумно регулировать потребление ресурсов с учетом их строгой экономии. С целью экономии природных ресурсов в промышленные процессы внедряются ресурсо- и энергосберегающие технологии. Ресурсосберегающие технологии – это технологии с минимальным расходом материалов и энергии на всех этапах производства. Кроме экономии вещества, необходимо экономить энергоресурсы. Для этого в производстве необходимо выбирать наименее энергоемкие технологические схемы, в быту – применять технику с низкой энергоемкостью, а также повышать теплоизоляцию зданий, что позволит сократить затраты энергии на обогрев жилья.

2) Вторая задача – уменьшение количества отходов. В настоящее время лишь 2–5 % сырьевых материалов переходит в продукцию, а 95–98 % превращается в отходы. Человечество в основном работает на производство отходов, при этом происходит интенсивное загрязнение окружающей среды. Полное использование отходов возможно путем создания безотходных технологий – замкнутых технологических процессов. Основой безотходных производств является цикличность вещественноэнергетических потоков. Все сырье вовлечено в следующий цикл:

сырьевые ресурсы производство потребление вторичные ресурсы. Такая схема напоминает малый круговорот веществ.

Безотходные производства должны быть организованы таким образом, чтобы отходы не образовывались. Для этого следует разделить технологические процессы на две части: производящую основную продукцию и преобразующую отходы, причем между этими частями необходимо устойчивое равновесие. При этом образующиеся неперерабатываемые остатки должны расщепляться на элементы, которые могут быть возвращены в окружающую среду без нарушения биогеохимических круговоротов.

Безотходные технологии являются определенной идеальной системой, к которой следует стремиться. Создание полностью безотходных производств – длительный процесс, требующий решения многих задач. Сначала требуется перейти к малоотходным технологиям (современные малоотходные безотходные).

Под малоотходным понимается такой способ производства, когда вредное воздействие на окружающую среду не превышает допустимого уровня, и только небольшая часть сырья и материалов переходит в отходы и направляется на нейтрализацию и длительное хранение. При создании малоотходных производств важное место отводится системе обезвреживания и хранения отходов. Для создания безотходных и малоотходных производств требуется объединить существующие мелкие предприятия в крупные производственные комплексы, где отходы одних производств служат сырьем для других.

Переход на безотходные технологии предполагает решение энергетических проблем. Наиболее рациональный путь для этого – переход к альтернативной энергетике. Традиционные источники энергии – уголь, нефть, газ – представляют собой невозобновляемое сырье. При этом вокруг существуют возобновляемые энергетические ресурсы. Основными альтернативными источниками энергии являются:

–гелиоэнергетика – основана на использовании энергии Солнца. На Землю падает огромное количество солнечной энергии, в 15 тыс. раз превышающее ежегодное мировое потребление энергии. Основными установками получения солнечной энергии являются гелиоэлектростанции для производства тепла и электроэнергии, солнечные батареи и элементы для производства электроэнергии, солнечные коллекторы для теплоснабжения зданий. Но солнечную энергию сложно запасать и передавать на большие расстояния без потерь;

–ветровая энергетика – ветер заключает в себе механическую энергию, которая может быть использована на ветроэлектрических станциях для выработки электроэнергии. Такие станции являются рентабельными в районах с постоянными ветрами. В настоящее время

большое количество ветровых установок работает в США, Дании, Голландии, Германии. Но этот вид энергии порождает некоторые проблемы: создает ультразвуковое излучение, телевизионные помехи, отрицательно влияет на птиц;

–гидроэнергетика – основана на энергии волн приливов и отливов, океанских течений. Для этого строятся приливные и ветровые электростанции;

–геотермальная энергия – может быть использована в областях современного вулканизма, где горячие подземные воды поднимаются к поверхности и выходят в виде термальных источников. При этом строятся следующие установки: геотермальные электростанции, геотермальные установки (использующие энергию подземных вод), тепловые насосы;

–биоэнергетика – основана на использовании биологического сырья: биогаза, образующегося при разложении растительных и животных отходов без доступа воздуха, мусоросжигающих установок и т.д. Образующийся газ может быть использован в домах для обогрева и приготовления пищи.

27. Загрязнение окружающей среды. Классификация загрязнений.

Загрязнение – это внесение в среду новых, не характерных для нее агентов или превышение естественного уровня этих агентов в среде (Пр.: 1– пестициды, 2 – превышение уровня CO2).

Загрязнения делятся на природные (вызванные естественными процессами – космическая пыль, продукты выветривания горных пород, вулканизация, жизнедеятельность растений, животных, выброс нефти из подводных месторождений) и антропогенные (возникающие в результате деятельности людей – бытовые и промышленные отходы, пылевые, выхлопы автомобилей, промышленные выбросы, радиоактивные загрязнения).

По типу загрязнителей антропогенные загрязнители делятся на следующие группы:

–механические – агенты, оказывающие лишь механическое воздействие без физико-химических последствий;

–химические – изменение естественных химических свойств среды. Загрязнители могут быть разрушающимися в ходе биологических процессов (вовлекающиеся в естественный круговорот – NO2, CO2) и неразрушающимися (невовлекающимися – пестициды (ДДТ), моющие средства). Наиболее опасны вторые, т.к. способны накапливаться в среде обитания. Многие загрязнения (стойкие ядовитые вещества) могут передаваться по трофическим цепям, а также накапливаться в организмах животных. Так, содержание яда ДДТ в телах хищных и рыбоядных птиц в 500 тыс. раз превышало содержание его в воде или почве. Особенно