Экология. Курс лекций

микроэкосистемы (лужа с ее обитателями, муравейник), мезоэкосистемы (лес, река, пруд) и макроэкосистемы (тундра, пустыня, океан).

Ёмкость экосистемы – это максимальная численность популяции одного вида, которую данная экосистема способна поддерживать в определенных экологических условиях на протяжении длительного времени. Например, ёмкость угодья – это количество каких-либо диких или домашних животных, способных жить и размножаться на единице площади угодья неопределенно долгое время.

Устойчивость экосистемы – способность сохранять свою структуру и функциональные особенности при воздействии внешних и внутренних факторов, т.е. её способность к реакции, пропорциональной по величине силе воздействия. Природные экосистемы способны противостоять различным повреждающим воздействиям и при восстановлении нормальных условий возвращаться в состояние близкое к первоначальному. Плотность того или иного вида при неблагоприятных условиях снижается, но в оптимальных условиях возрастают плодовитость, скорость роста и развития и плотность вида восстанавливается. За меру стабильности экосистем часто принимают их видовое разнообразие. Наиболее устойчивы сложные экосистемы, в них формируются сложные трофические связи. Экосистемы с упрощенной структурой крайне неустойчивы, в них происходят резкие колебания численности отдельных популяций. Например, сложные экосистемы тропических лесов исключительно стабильны, в то время как в Арктике недостаток видов, способных заменить в качестве пищи основной вид, приводит к резкому колебанию численности популяций.

Надежность экосистемы – это способность относительно полно самовосстанавливаться и саморегулироваться (в течении сукцессионного или эволюционного периода своего существования), т.е. удерживать свои основные характеристики во времени и пространстве. Важной характеристикой надежности служит сохранение структуры, функций и направления развития экосистемы, без которых данная экосистема сменяется другой, с иными структурой, функциями, а иногда и направлением развития. Простейшим механизмом поддержания экологической надежности экосистемы является замена выбывшего по каким-то причинам вида другим, экологически близким. Если такого вида в экосистеме нет, то его сменяет более отдаленный.

Самовосстановление природных экосистем – это самостоятельный возврат экосистем к состоянию динамического равновесия, из которого они были выведены воздействием каких-либо природных и антропогенных факторов.

Саморегуляция природных экосистем – это способность к самостоятельному восстановлению баланса внутренних свойств после какоголибо природного или антропогенного воздействия с помощью принципа обратной связи между её компонентами, т.е. экосистема способна сохранять свою структуру и функционирование в определенном диапазоне внешних условий. Саморегуляция проявляется, например, в том, что численность особей каждого вида, входящего в экосистему, поддерживается на определенном,

31

относительно постоянном, уровне. Самовосстановление и саморегуляция экосистем основаны, в частности, на способности экосистем к самоочищению.

Самоочищение экосистем – это естественное разрушение загрязнения в среде в результате природных физических, химических и биологических процессов, происходящих в ней. Физические факторы самоочищения водоемов – это растворение, перемешивание и оседание на дно поступающих загрязнений, а также воздействие ультрафиолетового излучения Солнца на бактерии и вирусы. Под действием физических факторов в зонах с умеренным климатом река самоочищается уже через 200-300 км. от места загрязнения, а на Крайнем Севере – через 2000 км. Химические факторы самоочищения – это окисление органических и неорганических веществ. Для оценки химического самоочищения водоема используют такие показатели, как: а) БПК – биологическое потребление кислорода – количество кислорода, которое необходимо для окисления бактериями и простейшими всей органики (обычно за 5 суток) в 1 л загрязненной воды; б) ХПК – химическое потребление кислорода (мг/л или г/л воды), необходимое для полного окисления загрязняющих веществ с помощью химических реагентов (обычно бихромата калия). Биологические факторы самоочищения – это очистка водоемов с помощью водорослей, плесневых и дрожжевых грибков, простейших моллюсков и др. живых организмов. Например, каждый моллюск профильтровывает в сутки более 30 л воды, очищая ее от всевозможных примесей.

2. Экологическое равновесие и основные направления его поддержания

Многие экосистемы существуют в течение десятков и даже сотен лет. Для поддержания такой стабильности экосистем необходима сбалансированность потоков вещества и энергии, процессов обмена между организмами и

характеризующееся балансом между поступлением и расходованием вещества и энергии в экосистеме. Другими словами, экологическое равновесие – это относительная устойчивость видового состава живых организмов, их численности, продуктивности, распределения в пространстве, а также сезонных изменений, биологического круговорота веществ и других биологических процессов в экосистеме, приводящая к длительному (условно-бесконечному) существованию данной экосистемы. Конечно ни одна экосистема не бывает абсолютно стабильной, неподвижной: периодически увеличивается численность одних видов, но уменьшается других. Подобные процессы происходят периодически и в целом не выводят экосистему из равновесия. Поэтому главная особенность экологического равновесия – его подвижность. Различают два вида подвижности равновесия: 1) обратимые изменения в экосистеме – это изменения в течении года с весны до весны с сохранением видового состава экосистем; 2) экологические сукцессии (от лат. –

32

преемственность, наследование) – это последовательная смена экосистем, возникающих на одной и той же территории или акватории (биотопе) под влиянием природных или антропогенных факторов. Различают первичную и вторичную сукцессии.

Первичная сукцессия – это процесс развития экосистем на незаселенных ранее участках, начинающийся с их колонизации. Например, заселение возникших в результате вулканической деятельности островов. Или зарастание голой скалы: сначало лишайниками, затем мхами, травами и другими растениями. В процессе первичной сукцессии формируются не только фитоценозы, т.е. растительные биоценозы, но и почва.

Вторичная сукцессия – это восстановление экосистемы на месте сформировавшихся биоценозов после их нарушения в результате эрозии, пожаров, вырубки леса, засухи и т.п. в таких местах обычно сохраняются богатые жизненные ресурсы. Поэтому вторичные сукцессии приводят к образованию биоценозов значительно быстрее, чем первичные.

Сукцессии происходят как в результате изменения условий, например, произрастания растений под влиянием жизнедеятельности организмов, входящих в биоценоз, так и под воздействием внешних причин, например, антропогенных факторов. Экологическая сукцессия заканчивается образованием климаксного сообщества, характеризующегося максимальной величиной биомассы и наибольшим разнообразием слагающих видов.

Климаксное сообщество (от греч. – «лестница») – это заключительная стадия экологической сукцессии, когда биоценоз находится в полном соответствии с биотопом. Для него характерно равновесие между биотическими и абиотическими компонентами (продукция и поток веществ извне уравновешиваются потреблением, расходом и выносом веществ из системы). Термин «климаксное сообщество» был введен Ф. Клементсом в 1916 году.

В основе экологического равновесия экосистем лежит постоянство биологического круговорота веществ, который в каждой конкретной экосистеме имеет свои особенности, связанные с видовым составом и численностью организмов, их типом метаболизма, т.е. обмена веществ. Решающее значение при этом имеют соотношение автотрофов и гетеротрофов в экосистеме, а также специфические адаптации организмов друг к другу и к среде обитания. Совокупность этих факторов, сложившаяся в процессе эволюции, обеспечивает устойчивость экосистем, их гомеостаз (от греч. – «подобный», «одинаковый»), т.е. способность противостоять изменениям и сохранять динамическое относительное постоянство состава и свойств. Таким образом, экологическое равновесие – это динамическое равновесие притока и оттока энергии, вещества и информации, поддерживающее экосистему в определенном состоянии или ведущее к закономерной сукцессионной смене одной экосистемы другой. Существование экологического равновесия не означает отсутствия закономерных изменений во времени – оно тесно связано с процессами становления и развития данной экосистемы. При колебаниях условий среды, выходящих за пределы, обычные для данной экосистемы,

33

возникают нарушения экологического равновесия. Благодаря способности к самовосстановлению и саморегуляции, экосистемы, во многих случаях, восстанавливают нарушенное равновесие. Человек также может помочь природным экосистемам в сохранении равновесия. Существует три основных направления поддержания экологического равновесия природных систем.

1)Территориальное – это сохранение природных экосистем на части территории (акватории) с таким расчетом, чтобы эти специально выделенные участки поддерживали ранее существовавший или желаемый баланс между средообразующими компонентами. Например, создание заповедников, заказников, национальных парков.

2)Компонентное – искусственное добавление какого-то из средообразующих компонентов при его нехватке в естественно существовавшем количестве. Например, путем переброски вод в период засухи

ит.п.

3)Социально-экономические – развитие природопользования в соответствии с ресурсными возможностями каждого региона без их переэксплуатации, ведущей к деградации природы.

3. Состав экосистемы и его роль в круговороте веществ

Обмен веществ со средой – специфическое свойство жизни. Любой организм должен получать из внешней среды определенные вещества как источники энергии и материал для построения собственного тела. Продукты обмена, уже не пригодные для дальнейшего использования, выводятся наружу. Таким образом, каждый организм (популяция, вид) в процессе своей жизнедеятельности ухудшает условия своего обитания. Возможность обратного процесса – поддержания жизненных условий или даже их улучшений определяется тем, что биосферу населяют разные организмы с разным типом обмена веществ. Физиологическая разнокачественность живых организмов

представляет собой фундаментальное условие устойчивого существования жизни как планетарного явления. Общий биологический круговорот вещества на Земле складывается из взаимодействия множества более частных круговоротов, осуществляемых в экосистемах.

Экосистема может обеспечить круговорот вещества только в том случае, если включает необходимые для этого четыре составные части.

1)Запасы биогенных элементов, т.е. химических элементов, постоянно входящих в состав организмов и необходимых им для жизнедеятельности. Биогенные элементы подразделяются на: макротрофные, охватывающие элементы, которые составляют химическую основу тканей живых организмов (C, H, O, N, P, K, Ca, Mg); микротрофные, необходимые в малых количествах

(Fe, Mn, Cu, Zn, B, Na, Mo, Cl, V, Co). Циркуляция биогенных элементов сопровождается их химическими превращениями.

2)Продуценты (от лат. – «производящий») – живые организмы, которые способны синтезировать органическое вещество из неорганических составляющих с использованием внешних источников энергии. Продуценты –

34

это автотрофы, поскольку они сами снабжают себя органическим веществом. Все продуценты по характеру источника энергии для синтеза органических веществ подразделяются на фотоавтотрофов и хемоавтотрофов.

Фотоавтотрофы, главным образом зеленые растения, используют для синтеза органических веществ энергию солнечного излучения. Хемоавтотрофы, в основном бактерии, используют энергию неорганических веществ. При всем многообразии конкретных форм продуцентов – автотрофов их общая биосферная функция едина и заключается в вовлечении компонентов неживой природы в состав тканей организмов и, таким образом, в биологический круговорот. Суммарная масса продуцентов-автотрофов составляет более 95% массы всех живых организмов в биосфере. Основными фотоавтотрофами являются не только растения суши, но и многообразные водные растения.

3)Консументы (от лат. – «потреблять», «съедать») – живые организмы, не способные строить свое тело на базе использования неорганических веществ, требующие поступления органического вещества извне, в составе пищи. Консументы – это гетеротрофные организмы, живущие за счет органических веществ, синтезированных фотоили хемоавтотрофами. Консументами являются все животные. Благодаря способности к активному перемещению в пространстве они, включаясь в биологический круговорот, участвуют в миграции живого вещества, дисперсии его по поверхности планеты. Различают консументов первого порядка – растительноядные виды животных (фитофаги) и второго и больших порядков – плотоядные (зоофаги), хищники.

4)Редуценты (деструкторы) (от лат. – «возвращающий», «восстанавливающий») – организмы, в ходе своей жизнедеятельности превращающие органические остатки в неорганические вещества, пригодные для использования продуцентами. Минерализация органических веществ частично идет у всех живых организмов: в процессе дыхания выделяется углекислый газ, а из организма выводится вода, минеральные соли, аммиак и т.д., но одновременно выделяются и органические вещества. Истинными редуцентами, завершающими цикл разрушения органических веществ, считаются такие организмы, которые выделяют во внешнюю среду только неорганические вещества, пригодные к использованию продуцентами, т.е. к вовлечению в новый цикл. К редуцентам относятся грибы и многие виды бактерий. Поскольку грибы и бактерии получают необходимую энергию разлагая мертвое органическое вещество (детрит), их называют сапрофагами (от греч. – «гнилой» и «пожирающий»).

Выделяют два вида трофических цепей: 1) цепи выедания – от продуцентов к консументам и на вынос из экосистемы; 2) цепи разложения – от редуцентов к продуцентам. Конечными продуктами разложения органических веществ редуцентами являются – углекислый газ, вода, аммиак, минеральные соли. Интенсивность минерализации во многом зависит от температуры, влажности и других факторов. Например, годичный спад органических веществ в тропических лесах полностью разлагается в течении 1 -

35

2 лет, в лиственных лесах умеренной зоны – за 2 - 4 года, в хвойных лесах – за 4–5 лет, а в тундрах процесс разложения может длиться десятки лет.

Схема переноса вещества (сплошная линия) и энергии (пунктирная линия) в процессе биологического круговорота представлена на рис. 1.

Однако биологический круговорот веществ не следует понимать в абсолютном смысле.

Рис 1. Биологический круговорот (по В.Е. Соколову, И.А. Шилову)

Биогенные элементы, включаясь в состав живого вещества, затем высвобождаясь, в силу большой сложности взаимодействующих процессов и влияющих на них факторов, частично исключаются из круговорота. Результатом нарушения полного круговорота являются накопления органических веществ в виде залежей торфа, каменного угля, нефти, газа, горючих сланцев. Все эти вещества несут в себе энергию, первоначально запасенную в процессе фотосинтеза. Использование их человеком – как бы «отставленное во времени» завершение циклов биологического круговорота.

4. Законы биологической продуктивности (экологические пирамиды)

Цепи питания или трофические цепи – это такие ряды, в которых каждый предыдущий вид служит пищей последующему. Отдельные звенья трофических цепей называются трофическими уровнями. Первый трофический уровень образуют автотрофные организмы – продуценты (растения). На этом уровне в процессе фотосинтеза связывается энергия Солнца и из неорганических веществ создаётся масса органического вещества.

Биомасса – это количество живого вещества, приходящегося на единицу площади или объема.

Биологическая продуктивность – это скорость формирования в экосистемах биомассы, синтезируемой за единицу времени (или энергетический эквивалент).

36

Общая сумма биомассы представляет собой валовую продукцию, а та её часть, которая определяет прирост – чистую продукцию. Разница между валовой и чистой продукцией определяется затратами энергии на жизнедеятельность, которые, например, в умеренном климате могут составлять до 40 – 70% валовой продукции.

Первичная биопродукция – это биомасса органического вещества, синтезированного автотрофами. Чистая первичная продукция, накопленная в виде биомассы организмов-автотрофов на первом трофическом уровне служит источником питания для представителей следующих трофических уровней. Потребители первичной продукции – консументы (животные) – образуют несколько, обычно не больше четырех, трофических уровней, потому что при передаче биомассы с одного трофического уровня на другой, из-за больших расходов на жизнедеятельность, запасы энергии в ней быстро иссякают.

Вторичная биопродукция – это биомасса органического вещества, синтезированного гетеротрофными организмами (животными). Поскольку она создается за счет энергии, связанной растениями, она всегда меньше первичной.

В 1942 г. американский гидробиолог Р. Линдеман установил, что если оценить биопродукцию в последовательных трофических уровнях в любой экосистеме, то получится убывающий ряд чисел, каждое из которых примерно в 10 раз меньше предыдущего. Это наблюдение сыграло большую роль в изучении потоков вещества и энергии в экосистемах. В экологию оно вошло под названием «закон десяти процентов, или правило Линдемана»: при переходе с одного трофического уровня на другой потребляется в среднем 10% энергии биомассы (или вещества в энергетическом выражении). Другими словами, на каждом этапе передачи вещества и энергии по пищевой цепи теряется примерно 90% и только 10% переходит к очередному потребителю. Если это выразить графически, то получится пирамида с широким основанием и узкой вершиной. Такие графические модели соотношений между продуцентами, консументами и редуцентами в экосистеме называются экологическими пирамидами. Существуют пирамиды биопродукции, биомасс, численности и энергии (рис. 2).

Пирамида биомасс – это соотношение биомасс организмов разных трофических уровней, изображенных таким образом, что площадь прямоугольника, соответствующая определенному трофическому уровню, пропорциональна его биомассе. В наземных экосистемах с повышением трофического уровня запас биомассы уменьшается.

37

Продуценты

Рис. 2. Пирамида биопродукции и поток энергии в экосистемах

Например, масса всех трав, выросших за год в степи, больше, чем годовой прирост всех растительноядных животных, а прирост хищников меньше, чем растительноядных. Для наземных экосистем пирамида биомасс напоминает пирамиду биопродукции (рис. 2).

Пирамида чисел – это соотношение численности организмов разных трофических уровней, изображенных графически. Пирамида энергии – это соотношение между количеством энергии, заключенной в каждом из трофических уровней экосистемы.

38

Лекция 5. ЗАГРЯЗНЕНИЕ БИОСФЕРЫ

1. Загрязнение атмосферы. 2. Загрязнение гидросферы. 3. Загрязнение почвы. 4. Миграция загрязнений в биосфере. 5. Экологические кризисы и их характеристика.

В экологии под загрязнением понимается все то, что выводит экосистемы из состояния равновесия и отличается от наблюдаемой нормы.

Загрязнение – это привнесение в среду или возникновение в ней новых, обычно не характерных для неё физических, химических, биологических или информационных агентов, или превышение в рассматриваемое время естественного среднемноголетнего уровня (в пределах его крайних колебаний) концентраций перечисленных агентов в среде, нередко приводящее к негативным последствиям. Загрязнение может быть вызвано любым агентом, в том числе самым «чистым», например, лишняя по отношению к природной норме вода в экосистеме суши – это загрязнитель. Надоедливая реклама – это информационный загрязнитель.

Загрязнитель – это любой природный или антропогенный физический, химический, биологический или информационный агент, попадающий в окружающую среду или возникающий в ней в количествах, превышающих рамки обычного наличия – предельных естественных колебаний или среднего природного фона.

Все основные компоненты биосферы: атмосфера, гидросфера и литосфера (особенно почва) в настоящее время загрязнены вследствие деятельности человека. А поскольку жизнь на Земле существует в строго определенном интервале значений уровней радиации, гравитации, магнитного и шумового фона, температуры, химического состава среды и т.д., а антропогенная деятельность влияет на эти параметры биосферы, то очевидно, что человеком подрываются основы самой возможности жизни на нашей планете.

1. Загрязнение атмосферы

Загрязнение атмосферы – это изменение ее состава при поступлении примесей природного или антропогенного происхождения. К природным источникам загрязнения относятся: извержения вулканов, пыльные бури, лесные пожары, пыль космического происхождения, частицы морской соли, продукты растительного, животного и микробиологического происхождения. Уровень такого загрязнения рассматривается в качестве фонового, который изменяется во времени. В норме природные источники не вызывают скольконибудь существенных изменений состава воздуха.

Проблема загрязнения атмосферы возникла в результате деятельности человека вместе с появлением промышленности и транспорта, работающих на ископаемом топливе – каменном угле, нефти и газе. На сегодняшний день экологи насчитывают около 2000 загрязнителей атмосферы. Возрастает уровень загрязнения шумом и вибрацией, радиацией, электромагнитными полями и,

39

особенно, химическими веществами. Вещества-загрязнители атмосферы – бывают двух видов: газы, на их долю приходится до 90% загрязнителей, и аэрозоли – это коллоидные системы, состоящие из газовой среды (воздух), в которой диспергированы твердые (размером 10-3 – 10-9 мм) или жидкие (размером 10-2 – 10-6 мм) частицы, и находящиеся в ней длительное время во взвешенном состоянии (например, пыль, дым, туман).

Основными газовыми загрязнителями являются: оксиды углерода (CO, CO2), оксиды азота (NO, NO2), оксиды серы (SO2, SO3), сероводород, метан и другие углеводороды, аммиак, галогенуглероды, галогенводороды, тропосферный озон, формальдегид. Например, увеличение содержания в атмосфере углекислого газа (CO2) вызывает «парниковый эффект», т.е. потепление климата в связи с чрезмерным поглощением воздухом теплового излучения Земли. Накопление в атмосфере оксидов азота, серы, сероводорода, галогенводородов приводит к выпадению, так называемых, «кислотных дождей», пагубно действующих на живые организмы. Термин «кислотные дожди», обозначающий атмосферные осадки с повышенной кислотностью (pH ниже 5,6) ввел английский инженер Роберт Смит в 1872г.

Основные загрязнители-аэрозоли: пыль, зола, сажа, дым, мелкодисперсные смолистые вещества, оксид цинка, хлорид свинца, металлическая пыль свинца, мышьяка, кадмия, марганца и др.; аэрозоли, содержащие жидкости – серную кислоту, альдегиды и др. вещества.

Ядовитые газы и аэрозоли влияют на растения. Например, липы в городах живут 50-80 лет, вместо 300-500 лет в лесу. Вяз живет в лесу до 300 лет, а на улицах до 45 лет. В реальных условиях человек и экосистемы подвергаются воздействию не отдельных загрязнителей, а их комбинаций, включающих физические, химические и биологические составляющие. Например, поступление в атмосферу города углеводородов, оксидов азота, углерода и других веществ в сочетании с активным воздействием энергии солнечного излучения приводит к фотохимическим реакциям. В результате этого образуются тонкодиспергированные аэрозоли в виде голубой дымки – смога. Различают смог ледяной, влажный и фотохимический (сухой). Ледяной смог (аляскинского типа) – это сочетание газообразных загрязнителей, пыли и кристаллов льда, образующихся при замерзании капель тумана. Влажный смог (лондонского типа) – это результат сочетания газообразных загрязнителей, дыма, пыли и густого тумана. Фотохимический смог (лос-анджелеского типа) – это пелена едких газов и аэрозолей повышенной концентрации (без тумана), возникающая под действием ультрафиолетового излучения Солнца в результате фотохимических реакций. Главными токсическими компонентами такого смога являются озон, угарный газ, оксиды азота.

По оценкам экспертов за последние 100 лет концентрация углекислого газа в атмосфере увеличилась на 12 – 18%, на 10 – 12% возросла задымленность атмосферы и на 7 – 10% снизилась освещенность Земли. В результате круговорот углерода в природе оказался нарушенным.

40