Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Учебное пособие по курсу «Экология»
.pdf
7
сопрягаются такие важнейшие процессы, как передача информации и превраще-
ние веществ и энергии.
Организменный уровень. Элементарной единицей организменного уровня
является отдельная особь. Она рассматривается в развитии (от момента зарожде-
ния до прекращения существования) как живая система. В организме возникают
системы органов, которые специализируются для выполнения различных функ-
ций (пищеварения, дыхания и т. д.).
Популяционно-видовой уровень. Популяция - как совокупность организмов
одного и того же вида, объединенная общим местом обитания, является уже на-
дорганизменной структурой.
Биогеоценотический уровень. Биогеоценоз - совокупность организмов разных
видов и различной сложности организации во всем многообразии связей с факторами среды их обитания. В течение совместного исторического развития организмов разных систематических групп возникают динамичные, довольно устой-
чивые сообщества иногда обозначается как биота.
Биосферный уровень. Поскольку биосфера есть совокупность всех биогеоце-
нозов, охватывающая все явления жизни, она является высшим уровнем организации живой материи. На биосферном уровне происходят круговорот веществ и
превращение энергии.
Адаптация организмов к тем или иным факторам среды определяется степе-
нью постоянства (периодичностью) воздействия этих факторов. А.С. Мончад-
ский выделяет три основных фактора.
1. Относящиеся к явлениям Солнечной системы, и в частности связанные с
вращением Земли (смена времен года, суточная смена). Здесь имеется строгая пе-
риодичность, действовавшая еще до появления жизни на Земле, возникающие
живые организмы должны сразу адаптироваться к этим факторам.
2. Факторы, являющиеся следствием первичных: влажность, температура, дав-
ление, динамика растительной пищи, содержание растворенных газов в воде и др.
3. Факторы, не имеющие правильной цикличности, например стихийные явле-
ния. К этим факторам относятся и антропогенные (производимые человеком) воз-
действия на окружающую среду, например появление примесей в воде, почве,
воздухе, связанное с деятельностью промышленных предприятий. Для того чтобы
адаптация живых организмов к новым условиям могла наследственно закрепиться, требуется длительное эволюционное время, за которое сменятся сотни поколений. Живые организмы, как правило, не успевают выработать приспособительные реакции, то есть адаптация к непериодическим факторам у организмов не-
возможна.
Ядовитые и вредные вещества, например неочищенные сточные воды, отбросы,
выхлопные газы, радиоактивные вещества, биоциды и др., попав в экосистему, не
исчезают бесследно. Даже низкие их концентрации, действуя долгое время, могут
повредить человеку, животным и растениям. Как показали наблюдения, некоторые яды могут передаваться по пищевым цепочкам и сетям.
Так, тяжелые металлы (например, свинец) передаются из растений корове, оттуда
в молоко, а с молоком - человеку. Инсектициды поступают с отравленными насе-
8
комыми в насекомоядную рыбу, а затем к человеку или птице, съевшим эту рыбу.
В отдельных звеньях пищевой цепи может происходить нарастающее накопление ядов. Если они не разлагаются и не выводятся из организмов, то нарушается
равновесие химического круговорота веществ. В жизнестойкой экологической
системе все время должно поддерживаться равновесие, исключающее необратимое уничтожение тех или иных «каналов» обмена информацией (энергетической,
химической, генетической и др.).
Жизнедеятельность всех живых организмов, включая человека, представляет
собой работу, для осуществления которой требуется энергия. Энергия солнечной
радиации первична на Земле и имеет преимущественное значение для жизни в
инфракрасной (0,75-4 мкм) и ультрафиолетовой (0,28-0,4 мкм) областях спектра.
Непрерывный поток солнечной энергии, воспринимаясь молекулами живых
клеток, преобразуется в энергию химических связей. Химические вещества последовательно переходят от одних организмов к другим, то есть происходит по-
следовательный упорядоченный поток вещества и энергии.
Продукция фотосинтеза обеспечивает человека пищей, одеждой, энергией. На-
пример, каменный уголь - это солнечная энергия, аккумулированная в продуктах
фотосинтеза растений прошлых геологических эпох.
Экология, по сути дела, изучает связь между излучением и экологическими
системами и способы превращения энергии внутри системы. Отношения между
растениями и животными, между хищниками и жертвами, не говоря уже о численности и видовом составе организмов в каждом их местообитании, лимитируются и управляются потоком энергии, превращающейся из ее концентрированных
(конкретных) форм в рассеянные (невосстанавливаемые).
Существует два основных механизма удержания, перераспределения и накоп-
ления энергии на Земле.
1. Механизм, характеризующий среду обитания: испарение, конденсация, гра-
диенты плотности в атмосфере и в океане, геохимические реакции, эрозия и
др. (геохимический круговорот веществ).
Рис. 1. Объединенный механизм удержания, перераспределения и накопления
энергии на Земле
2. Механизм, характеризующий жизнедеятельность биообъектов: фотосинтез
9
дыхание и др. (биогеохимический круговорот).
Оба механизма можно представить единой схемой, изображенной на рис. 1.
Все типы экосистем регулируются теми же основными законами, которые
управляют и неживыми системами, например техническими установками, машинами. Различие заключается в том, что живые системы, используя часть имеющейся внутри них энергии, способны самовосстанавливаться, а машины прихо-
дится чинить, используя при этом внешнюю энергию.
Когда излучение поглощается каким-либо предметом, последний нагревается,
то есть энергия излучения переходит в энергию движения молекул, из которых
состоит тело, причем, это касается любых физических полей и сред, взаимодействующих с ними. В частности, солнечное излучение сушей и водой поглощается
по-разному, в результате возникают теплые и холодные области, что в свою оче-
редь служит причиной образования воздушных потоков, которые, например, могут вращать ветряные двигатели и выполнять другую работу. Таким образом,
«потребленная» энергия на самом деле не расходуется, она только пере водится
из состояния, в котором ее легко превратить в работу, в состояние с малой воз-
можностью использования.
Если температура какого-либо тела выше температуры окружающего воздуха,
то тело будет отдавать тепло до тех пор, пока его температура не сравняется с
температурой окружающей среды, после чего наступает состояние термодинамического равновесия и дальнейшее рассеяние энергии в тепловой форме прекраща-
ется.
Такая система находится в состоянии максимальной энтропии. Энтропия от-
ражает возможности превращения энергии и рассматривается как мера неупоря-
доченности системы.
Энтропия - фундаментальное понятие термодинамики. Если молекулярная система обладает энергией Е и имеет N(E) доступных состояний в пределах от Е до
Е + ∆E, то качественной мерой молекулярного беспорядка в системе будет энтро-
пия S, определяемая выражением:
S = k * ln N(E) (1.1)
где k - постоянная Больцмана ( k = 1,38· 10
-23
Дж/К).
Понятие энтропии как показателя термодинамической искаженной энергии
имеет большое значение не только в физике, химии, биологии, но и в экологии
для решения проблем, связанных с изменением состояния окружающей среды.
Энтропия показывает, что тот или иной процесс может происходить в системе с
определенной вероятностью. При этом, если система стремится к равновесному
состоянию, энтропия увеличивается и стремится к максимуму.
С термодинамических позиций энтропию можно выразить другим соотношением, связывающим теплоту Q и температуру Т. Если система получает приращение
теплоты ∆Q, то энтропия изменяется на ∆S:
dQ/ T = dS (1.2)
/
Из (1.2) видно, что энтропию можно определить с помощью измерения теплоты
10
и температуры.
Применяя положения термодинамики к процессу жизнедеятельности, можно отметить, что живой организм извлекает энергию из пищи, используя упорядоченность ее химических связей. Часть энергии идет на поддержание жизненных
процессов, часть передается организмам последующих пищевых уровней. В начале этого процесса находится фотосинтез, при котором повышается упорядоченность деградировавших органических и минеральных веществ. При этом энтро-
пия уменьшается за счет поступления энергии от Солнца.
Само существование биосферы можно рассматривать как стационарный процесс, реализуемый на фоне грандиозного необратимого процесса охлаждения
Солнца. Если возникновение биологической структуры можно представить двумя
стадиями: биосинтезом составляющих элементов (макромолекул, клеток) и сборкой из них организованной системы, то процесс сборки находится в значительной
степени под термодинамическим контролем, поскольку на молекулярном уровне
система стремится к состоянию с наименьшим химическим потенциалом. Самоорганизация и эволюция биологических систем на всех уровнях, начиная с клетки
и кончая биосферой в целом, происходят вследствие оттока энтропии в окру-
жающую среду.
Земля получает энергию от Солнца в виде излучения. При этом достигающий
Земли поток энергии за секунду равен 1,2· 10
17
Вт. Такое же количество энергии
отдается вновь, но при более низкой температуре. Общая отдача энтропии:
(1.3)
Формула (1.3) получена на основе статистической физики излучения абсо-
лютно черного тела (5800 К - температура излучения Солнца, 260 К - средняя
температура излучения Земли). Из (1.3) следует, что интенсивность оттока энтропии J
в среднем составляет – 1 Вт/(К·м2)
s
. Эта величина, представляющая верх-
ний предел отдачи энтропии Землей, ответственна за биологическое развитие и
эволюцию.
Согласно второму началу термодинамики, энергия любой системы стремится к
уменьшению, то есть к термодинамическому равновесию, что равнозначно максимальной энтропии. В такое состояние живой организм перейдет, если лишить
его возможности извлекать упорядоченность (энергию) из окружающей среды.
Закон энтропии универсален и безграничен и гласит, что утратившая чувство
гармонии любая структура немедленно поглощается живой природой.
Методы термодинамики применимы только к макроскопическим системам, состоящим из большого числа частиц. Система, которая не может обмениваться со
средой ни энергией, ни веществом, является изолированной (камни, шлаки). Если
происходит обмен только энергией, то система называется замкнутой (теплообменники); а если и энергией, и веществами - открытой (биообъекты).
11
Рис. 2. Кинетика жизнедеятельности биообъектов
При применении термодинамики к биологическим системам необходимо учи-
тывать особенности организации живых систем:
1) биологические системы открыты для потоков вещества и энергии;
2) процессы в живых системах имеют необратимый характер;
3) живые системы далеки от равновесия;
4) биологические системы гетерофазны и структурированы.
Для описания свойств биологических систем целесообразно применение термодинамики необратимых процессов, которая рассматривает ход процессов во
времени (основатели - лауреаты Нобелевской премии по химии Л. Онзегер и И.
Пригожин). Фундаментальным понятием термодинамики необратимых процессов
является стационарное состояние системы. Процесс жизнедеятельности био-
объектов сопровождается непрерывно идущими биологическими процессами, выделяя в определенный период времени доминирующий (или тот же, измененный
по времени) процесс. Кинетику жизнедеятельности биологических объектов
можно изобразить схемой (рис. 2).
Таким образом, процесс жизнедеятельности есть множественная последовательность различных стационарных состояний, что обобщенно можно изобразить
схемой (рис.3), акцентирующей внимание на процессе жизнедеятельности чело-
века.
Рис. 3. Схема жизнедеятельности человека:
1- передача излучения, ответственного за биологически активные реакции;
12
2 - процесс биологической эволюции; 3 - параметры, определяющие жизнедеятельность человека (наследственность, экологическая обстановка, образ жизни);
4 - процесс естественного старения (биологическая продолжительность жизни
человека - 160 лет); 5 - гибель в результате заболевания; 6 - излучение, сопровождающееся исчезновением части биополя человека связанного с жизнедеятельностью; (+) - биологически активные реакции, поддерживающие жизнедеятельность; (-) - реакции, подавляющие жизнедеятельность.
Лекция 2. Экосистемы: состав, структура, разнообразие.
Трофические взаимодействия в экосистемах
Экосистема - основная функциональная единица в экологии, единый природ-
ный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания
(атмосфера, почва, водоемы), в которой живые и неживые компоненты свя-
заны между собой обменом веществ и энергии.
Несмотря на многообразие влияния экологических факторов можно выявить
общий характер их воздействия на организм.
При небольших значениях или при чрезмерном воздействии фактора жизненная активность организма заметно угнетается. Наиболее эффективно действие
фактора не при минимальных или максимальных его значениях, а при некотором
его значении, оптимальном для данного организма. Диапазон действия или зона
толерантности (выносливости) экологического фактора всегда ограничен.
Необратимые процессы в биосфере происходят тысячи лет, и живые организмы
приспосабливаются к внешним условиям. Иной временной характер имеют антропогенные (техногенные ) изменения окружающей среды, которые приводят к
резкому изменению средних значений абиотических факторов, выходящих за
пределы устойчивости существования и развития живого организма. В частности,
на различных этапах эволюции жизни на Земле происходило увеличение числа
видов растений и животных, усложнение их строения, приспособление к новым
средам обитания, например к условиям жизни на суше. Движущей силой эволюции является, согласно учению Ч. Дарвина, борьба за существование и ее след-
ствие – естественный отбор на основе наследственности и изменчивости.
Любой живой организм приспосабливается к условиям окружающей среды.
Изменение экологических параметров среды и особенно приближение к лимитирующим границам, подавляет жизнедеятельность организмов и может вызвать их
гибель. Требования организма к факторам среды обусловливают границы его рас-
пространения и место, занимаемое им в экосистеме.
Совокупность параметров среды, определяющих условия жизнедеятельности
того или иного организма и его функциональные характеристики (преобразование им энергии, обмен информацией со средой), представляет собой экологиче-
скую нишу.
Экологическую нишу можно представить как некое многомерное пространство,
определенное совокупностью факторов, каждый из которых имеет свои пределы.
К таким факторам могут быть отнесены: температура, влажность, объем, давле-
13
ние, состав солнечного излучения, химизм пищи и др.
Если в результате тех или иных процессов изменились физические параметры
среды (например, температура), выйдя за пределы, при которых организм может
существовать, то это означает нарушение параметров экологической ниши по
данному признаку. Выход здесь один – отвечающий данной нише организм дол-
жен адаптироваться к изменившейся обстановке. В противном случае он погибает, а его место занимает другой, более «пластичный», то есть с лучшей способно-
стью адаптироваться.
Если в качестве экологической ниши принять многомерное пространство с
фиксированным началом координат, то появляется важная экологическая закономерность: взаимосвязь («сцепленность») различных факторов среды друг с дру-
гом. Иными словами изменение какого-то одного фактора влечет за собой изменение других факторов, и в то же время, управляя каким-либо одним фактором,
можно и не вернуть в исходное состояние другие факторы, которые прямому воз-
действию не подвергались.
В общем случае для организма имеет значение не только амплитуда изменения
того или иного экологического фактора (содержание солей, температура, осве-
щенность и др.), но и скорость изменения этого фактора. Например, резкое пони-
жение температуры с + 15 до -10
карась, в то время как при медленном охлаждении до -10
0
С приводит к гибели такой популяции рыб, как
0
С и последующем (че-
рез месяц) отогреве до комнатной температуры его практически всегда удается
вернуть к жизни.
Отметим, что законом жизни любых организмов является «принцип мини-
мальной амплитуды», согласно которому живой организм при прочих равных
условиях выбирает такое местообитание - экологическую нишу, в котором обес-
печивается минимальная амплитуда колебаний лимитирующих факторов среды.
Появление человека на Земле предопределило новый этап развития биосферы,
связанный с постепенным переходом от простого биологического обмена между
человеком и природой к более сложному обмену веществ и энергии, носящему
техногенный характер (антропогенный обмен).
Принципиальным отличием антропогенного обмена от биологического круговорота является его незамкнутость. На вводе антропогенного обмена идет потреб-
ление природных ресурсов, а на выходе – образование промышленных и бытовых
отходов. Незамкнутость антропогенного обмена является его основным недостатком, поскольку создает экологическое несовершенство.
Воздействие человека на экосистему и биосферу в целом сводится к четырем
основным факторам:
1) изменение структуры земной поверхности (распашка степей, вырубка лесов,
создание искусственных водоемов и др.);
2) изменение состава биосферы, круговорота и баланса слагающих ее веществ
(добыча ископаемых, создание отвалов, выброс различных веществ, изменение
влагооборота);
3) изменение энергетического и, в частности, теплового баланса отдельных ре-
гионов, а в итоге и всей планеты;
14
4) изменения, вносимые в биоту, в результате истребления некоторых видов,
создание новых пород животных и сортов растений, перемещение их в новые
места обитания.
Все эти факторы, как правило, взаимосвязаны и приводят к нарушению экологического равновесия, а следовательно, к повышению вероятности гибели тех или
иных экосистем.
Рассмотрим процесс антропогенного воздействия в динамике на одном примере: в результате техногенной деятельности человека началось поступление неочищенных сточных вод и отходов в озеро. Начинается процесс излишнего накопления питательных веществ (минеральные вещества, фосфор и азот попадают в
воду вместе с удобрениями, органические соединения – с промышленными и бы-
товыми отходами). Минеральные вещества способствуют чрезмерному росту рас-
тений – продуцентов, способных из неорганических материалов среды строить
органические вещества. Эту функцию выполняют водоросли, которые с помощью
солнечной энергии из диоксида углерода, воды и минеральных веществ синтезируют органические соединения (фотосинтез). При этом поступление органических веществ приводит к усиленному размножению бактерий и грибов. В обоих
случаях сначала улучшаются условия жизни рыб, но вскоре им начинает не хва-
тать кислорода, поскольку чрезмерно активная деятельность растений-про-
дуцентов приводит к большому расходу кислорода, растворенного в воде. Гибнут
животные, нуждающиеся в кислороде. Бактерии и грибы перестают справляться с
разложением органических веществ.
Самоочищающая способность озера исчерпывается. Выживают только те бактерии, которые вызывают гниение и не нуждаются в кислороде для разложения
органических веществ, продукт их жизнедеятельности - выделяемый сероводо-
род. Таким образом, гибнет не только озеро, но и смежные экосистемы в резуль-
тате отравления сероводородом.
В процессе природопользования человек изменяет окружающую его среду. Так,
в силу объективных законов физики, в частности закона сохранения вещества и
энергии, любые процессы связаны не только с преобразованием и получением
нужных веществ, но и с побочными продуктами. Эти вещества, как правило, чужды природной среде, окружающей живые организмы. Они получили название
ксенобиотики (от греч. xenos - чужой и bios - жизнь). Эволюция жизни на Земле
происходила в отсутствие этих веществ. Например, до возникновения металлургии и других отраслей промышленности в природе практически не было свободных металлов множества химических соединений (фреонов, пестицидов, нефтепродуктов). Присутствие ксенобиотиков ведет к несовместимости среды с жизне-
деятельностью организма, что вызывает его заболевание и гибель. Наличие в ат-
мосферном воздухе соединений фтора, никеля, кобальта, серы нарушает фотосинтез и разрушает фотосинтезирующий аппарат растений. В результате гибнут леса,
снижается продуктивность сельскохозяйственных насаждений, вырождается жи-
вотноводство.
Ряд веществ, не являющихся ксенобиотиками, в результате деятельности человека накапливается в окружающей среде в концентрациях, значительно превы-
15
шающих естественные (озон, фенол, диоксид углерода, соединения азота, серы,
фосфора и др.), что также нарушает экологическое равновесие.
Возвращаясь к живым организмам экосистем, следует отметить, что в этом
случае экологическое равновесие в основном определяется биотическими связями
в биоценозах, к которым относятся:
Трофические связи возникают в том случае, когда один вид питается дру-
гим (живым организмом, его остатками, продуктами жизнедеятельности).
Здесь возможна как прямая трофическая связь (пчела собирает нектар растений)
так и косвенная. Последняя, например, имеет место в случае конкуренции двух
видов из-за объекта питания, тогда деятельность одного так или иначе отражается
на количестве и качестве питания другого.
Топические связи отражают любое (физическое или химическое) изменение
условий обитания одного вида вследствие жизнедеятельности другого. При этом
особенно большая роль в создании или изменении среды для других организмов
принадлежит растениям. Имея наибольшее значение в биоценозе, трофические и
топические связи способствуют удержанию друг возле друга организмов разных
видов, объединяя их в достаточно стабильные сообщества разных масштабов и
состава.
Видовая структура биоценоза характеризует разнообразие в нем видов и со-
отношение их численности или массы. При этом различают бедные и богатые ви-
дами биоценозы.
Компоненты биоценоза можно разделить на три части:
1) продуценты – производители первичной продукции (зеленые растения);
2) консументы – первичные (растительноядные) животные, вторичные -
(плотоядные) животные и т. д.;
3) редуценты (иначе, разрушители, деструкторы) – обычно грибы и микроорга-
низмы, разлагающие органические соединения отмерших организмов до неорганических, которые вновь используются продуцентами для построения своего те-
ла.
Следует отметить, что любое сообщество не способно существовать изолиро-
ванно от окружающей среды, так как многие виды взаимоотношений популяций,
входящих в сообщество, осуществляются через элементы неживой природы или
весьма зависят от нее (например, хищники обычно выходят на охоту ночью).
Сообщество живых организмов занимает определенное жизненное пространство,
которое называется биотопом.
Биотоп вместе с сообществом живых организмов различных видов образуют
экологическую систему (англ. ботаник А. Тенсли в 1935 г.). Главной еѐ особен-
ность является то, что в ней длительное время поддерживаются вполне
устойчивые взаимодействия (обмен веществом, энергией и информацией)
между элементами живой и неживой природы. Таким образом, в отличие от
популяции или даже сообщества экосистему можно считать вполне самостоятельным объектом, так как в ней имеются все компоненты, необходимые для еѐ
длительного существования. Экосистемами являются лес, озеро, тундра и так да-
лее, но к ним следует отнести и каплю воды со всеми ее обитателями.
16
Крупные экосистемы Земли - леса, степи, лесостепи и т.д. называют биомами.
Совокупность всех экосистем планеты, которые имеются в пределах трех гео-
сфер (атмосферы, гидросферы и литосферы) и с которыми находятся во взаимо-
действии живые организмы, образует самую крупную экосистему Земли - био-
сферу.
Лекция 3. Организм и среда обитания.
Критерии загрязнения среды обитания
Аутэкология, изучающая взаимоотношения представителей того или иного
вида с окружающей его средой, в основном опирается на исследования процессов
адаптации видов к окружающей среде, в особенности к абиотическим факторам
парных взаимодействий (организм – фактор). Именно поэтому ее часто называют
факториальной экологией.
Организм является начальной, основной единицей обмена веществ. Именно с
организма и начинается цепочка взаимоотношений живой материи, ее нельзя прервать ни на одном уровне. Очевидно, что существует глубокая связь между орга-
низмом и окружающей средой.
Среда – комплекс природных тел и явлений, с которыми организм находится в
прямых или косвенных взаимоотношениях. В широком смысле это материальные
тела, явления и энергия, воздействующие на организм.
Влияние среды на организм. Организм, испытывая потребность в притоке
вещества, энергии и информации, полностью зависит от среды. Уместно здесь
привести закон, открытый российским ученым К. Ф. Рулье: результаты разви-
тия (изменений) любого объекта (организма) определяются соотношением
его внутренних особенностей и особенностей той среды, в которой он нахо-
дится. Этот закон, иногда называемый первым экологическим законом жизни,
имеет общее значение, так как в равной мере относится к живой и неживой мате-
рии, а также социальной сфере.
Эволюционно возникшее приспособление организмов к условиям среды, выражающееся в изменении их внешних и внутренних особенностей, носит на-
звание адаптации.
Способность к адаптациям – одно из основных свойств жизни вообще, по-
скольку обеспечивает саму возможность ее существования, возможность орга-
низмов выживать и размножаться.
Каждый организм реагирует на окружающую среду в соответствии со своей генетической конституцией. Т.о., тот или иной вид живого возник в определенной
среде и в той или иной степени смог приспособиться к ней. Дальнейшее его существование возможно лишь в ней или в среде, близкой к ней. Резкое и быстрое
изменение условий среды обитания может привести к тому, что генетический аппарат вида не сможет приспособиться к новым условиям жизни. Сказанное в пол-
ной мере относится и к человеку.
Влияние живых организмов на среду. Организмы и сами способны существенно воздействовать на среду. На предел воздействия организмов на среду обитания указывает другой экологический закон жизни (Кvpажковский Ю. Н.):
каждый вид организмов, потребляя из окружающей среды необходимые ему
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]