Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Экологические основы природопользования на водном транспорте. Учебное пособие
.pdf
Образовались эукариоты (от греч. эу — истинный и карион– ядро), т.е. организмы, у которых ядро отделено от цитоплазмы ядерной оболочкой. В окислительной среде архебактерии погибли и образовали в ходе дальнейшей эволюции Земли залежи нефти, газа, графита.
Второй переломный уровень связан с моментом, когда содержание
кислорода в атмосфере достигло 10 % от его содержания в настоящее время
(дополнительная точка Пастера). К этому времени сформировался озоновый
экран, снизивший интенсивность жесткого УФ-излучения. Благодаря этому
живые организмы получили возможность выйти из воды и постепенно распространиться на суше. С наступлением карбона содержание кислорода достигло современного уровня и не испытывало сколько-нибудь значительных
колебаний.
В палеозой появились папоротники, земноводные, пресмыкающиеся. В
мезозойскую эру — динозавры, птицы. В кайнозойскую эру — млекопитающие, растения и организмы современного типа. Около 1–3 миллионов лет назад
появился питекантроп, 35–200 тыс. лет назад – неандерталец, 40 тыс. лет назад
— современный человек, кроманьонец.
Появившись на планете живые организмы, уже в силу своего существования, стали постепенно и неуклонно изменять ОС, превращая ее из враждебной в приемлемую среду обитания.
Уровни организации живой материи. Геологическая история Земли и развитие жизни привели к возникновению биосистем различных структурных уровней. Обычно выделяют шесть основных уровней: молекулярный, клеточный, организменный, популяционно-видовой, биогеоценотический и биосферный.
Любая живая система при всей сложности ее организации состоит из нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), белков, полисахаридов, а также других важных
органических веществ. Именно с молекулярного уровня начинаются разнообразные и чрезвычайно сложные процессы, лежащие в основе жизнедеятельности организма: обмен веществ и превращение энергии, передача наследственной информации и другие.
Организменный уровень. Элементарной единицей организменного
уровня является отдельная особь. Она рассматривается в развитии (от момента
зарождения до прекращения существования) как живая система. В организме
возникают системы органов, которые специализируются для выполнения различных функций (пищеварения, дыхания и т.д.).
Популяционно-видовой уровень. Популяция как совокупность орга-
низмов одного и того же вида, объединенная общим местом обитания, является
21
уже надорганизменной структурой. Важно подчеркнуть, что именно в этой системе осуществляются элементарные эволюционные преобразования.
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 устойчивые сообщества.
Биосферный уровень. Биосфера есть совокупность всех биогеоценозов,
охватывающая все явления жизни, она является высшим уровнем организации
живой материи. На биосферном уровне происходит круговорот веществ и превращения энергии.
Основные свойства живого вещества. Существенным свойством живого является обмен веществ, энергии и информации. Организм потребляет из
окружающей среды энергию и вещества и использует их для жизненно важных
реакций, а затем возвращает в среду эквивалентное количество энергии и вещества, но уже в другой форме, менее пригодной для него.
Живое вещество способно существовать только в потоке непрерывного обмена веществ, энергии и информации с окружающей средой. Прекращение движения в этом потоке хотя бы одного компонента прекращает жизнь организма.
Живое вещество состоит на 98,79 % из элементов, которые повсеместно
присутствуют и в атмосфере, и в гидросфере: кислорода, водорода, азота и углерода. Из оставшихся один процент приходится еще на четыре элемента, широко распространенных и весьма подвижных: кальций, калий, магний и кремний. Еще 0,2 % приходятся на долю серы, фосфора, хлора, натрия, алюминия и
железа и лишь 0,01 % — на все остальные элементы. Благодаря обмену веществ
обеспечивается относительное постоянство химического состава всех частей
организма.
В соответствии с законом физико-химического единства живого вещества, сформулированный В.И. Вернадским: все живое вещество Земли физикохимически едино.
Энергообеспечение клеток. Фотосинтез и хемосинтез. Живые существа
способны использовать только два вида энергии – световую (энергию излучения Солнца) и химическую (энергию связей химических соединений, содержащихся в пище). Этот признак и разделил живые организмы на фототрофы и
хемотрофы.
Фотосинтез. Солнечную энергию способны непосредственно использовать только клетки зеленых растений, одноклеточных водорослей, зеленых и
пурпурных бактерий. За счет этой энергии они синтезируют органические со-
22
единения: углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты и др. Зеленый цвет
фотосинтезирующих клеток зависит от наличия в них хлорофилла, поглощающего свет в красной и синей частях спектра и пропускающего лучи, которые
дают при их смешении зеленый цвет. Некоторые водоросли и бактерии имеют и
иные светопоглощающие пигменты, что придает им бурый, красный или пурпурный цвет.
Исходными веществами для фотосинтеза служат диоксид углерода атмосферы и вода:
Часть образуемой глюкозы является источником энергии для всех последующих процессов жизнедеятельности растения, в том числе и его роста (развития).
Хемосинтез. Сложные органические вещества для построения своих тел
создаются не только зелеными растениями, но и бактериями (нитрифицирующие, железобактерии, серобактерии), которые не содержат хлорофилла. Этот
процесс — хемосинтез – осуществляется благодаря энергии, выделяющейся
при химических реакциях окисления различных неорганических соединений:
сероводорода, водорода, аммиака, оксида железа и др. Образующаяся при этом
энергия запасается в форме аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Хемосинтез открыл известный русский микробиолог С.Н. Виноградский.
Самовоспроизведение. Каждая отдельно взятая биологическая система
существует ограниченное время, поэтому поддержание жизни невозможно без
воспроизведения себе подобных. В основе последнего лежит образование новых молекул и структур, которое обусловлено информацией, заложенной в дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК).
Процесс самовоспроизведения тесно связан с явлением наследственно-
сти: любое живое существо рождает себе подобных.
Изменчивость — противоположное наследственности свойство орга-
низма. Оно связано с его способностью приобретать новые признаки и свойства. В основе наследственной изменчивости лежат изменения так называемых
биологических матриц — молекул ДНК. Благодаря изменчивости создается
разнообразный материал для естественного отбора особей, наиболее приспособленных к конкретным условиям существования.
Способность к росту и развитию (онтогенез) присуща любому живому
организму, который с момента зарождения растет, увеличиваясь в размерах и
массе, но при этом сохраняет общие черты строения. Таким образом, рост со-
23
провождается развитием, и в результате возникает новое качественное состояние живого объекта.
Для нормального функционирования живого организма в меняющихся
условиях ОС необходимо внутреннее регулирование — саморегуляция различных процессов, полное подчинение их единому порядку поддержания постоянства внутренней среды — гомеостазу. В основе механизма саморегуляции лежит
принцип обратной связи, в соответствии с которой сигналом для включения того
или иного регулирующего процесса может быть изменение состояния какой-либо
системы, например, изменение температуры, концентрации веществ и т.д.
Чертой, присущей всему живому, является раздражимость. Она выражает-
ся реакциями живых организмов на внешнее воздействие и связана с передачей
информации из внешней среды биологической системе любой сложности (организму, органу, клетке). Благодаря этому свойству организмы способны избирательно реагировать на условия окружающей среды (например, на тепло и холод).
Все живое на Земле характеризуется иерархичностью структурной организации. Жизнедеятельность биологических систем на менее сложном уровне
является предпосылкой осуществления свойств живого на более высоком
уровне. Так, например, самовоспроизведение на уровне многоклеточного организма невозможно без деления относительно простых клеток и так далее. Указанная взаимосвязь и соподчиненность уровней организации живого лежит в
основе биологической формы движения материи.
1.5 Классификация живых организмов
В настоящее время различают следующие крупные группы организмов,
связанные той или иной степенью родства: бактерии, простейшие, грибы, растения, животные. Все они по отношению к кислороду, присутствующему в среде, делятся на аэробные (жизнедеятельность возможна только при наличии
свободного кислорода) и анаэробные (обитают без кислорода).
Все разнообразие видов живых организмов биосферы связано между собой через питание. По способам его осуществления. При этом различают автотрофы, гетеротрофы и миксотрофы.
Автотрофы (самопитающиеся, от греч. autòs — сам, trophé — питаться) —
организмы, не нуждающиеся в готовых органических соединениях другого организма для построения собственного тела. Из глюкозы, вместе с получаемыми из
почвы минеральными элементами питания, они производят (продуцируют) белки,
углеводы, липиды, то есть органическое вещество планеты. Основной источник
энергии, используемый автотрофами,— Солнце. Автотрофы являются кормиль-
24
цами биосферы: они не только питаются сами, но и кормят (своим телом) других.
К автотрофам относятся, например, наземные зеленые растения, водоросли и бактерии, которые способны к фотосинтезу. При этом наземные растения образуют
основную массу органического вещества в биосфере.
Гетеротрофы (от греч. héteros — другой) — это организмы, использующие для своего питания чужие тела (живые или мертвые), то есть готовые органические вещества. Очевидно, что жизнедеятельность гетеротрофов полностью определяется синтетической активностью автотрофов. Среди гетеротрофов выделяют три группы организмов: убивающие объект питания (хищники); питающиеся за счет других организмов, но не убивающие
их (растительноядные животные, паразиты, кровососы); питающиеся отмершей органикой (животные-падальщики, грибы, бактерии). Гетеротрофные организмы выполняют в экологических системах роль потребителей —
консументов (к ним относят всех животных, часть микроорганизмов, паразитических и насекомоядных растений) и восстановителей — редуцентов
(главным образом грибов и бактерий). Последние превращают свою пищу
— органические остатки — в неорганические вещества (CO2, H2O, микроэлементы), возвращая, таким образом, их в биосферу, в цепи питания.
Миксотрофы — организмы со смешанным типом питания (сине-зеленые
водоросли и растения-паразиты).
1.6 Основные среды жизни
Условия обитания различных видов организмов удивительно разнообразны. В зависимости от того, где живут представители разных видов, на них действуют разные комплексы условий среды — экологических факторов. Можно
выделить несколько основных сред жизни, сильно различающихся по условиям
существования: водную, наземно-воздушную, почвенную. Средой обитания
служат также сами организмы, в которых живут другие.
Водная среда жизни. Все водные обитатели, несмотря на различия в об-
разе жизни, должны быть приспособлены к главным особенностям своей среды.
Эти особенности определяются, прежде всего, физическими свойствами воды:
ее плотностью, теплопроводностью, способностью растворять соли и газы.
Плотность воды определяет ее значительную выталкивающую силу. Это
значит, что в воде облегчается вес организмов и появляется возможность вести
постоянную жизнь в водной толще, не опускаясь на дно. Совокупность мелких
водных обитателей, неспособных к быстрому активному плаванию, которые
25
как бы парят в воде, находясь в ней во взвешенном состоянии получила название планктон.
Быстро плавающие животные, преодолевающие при движении сопротивление воды, такие, как рыбы, дельфины, кальмары, имеют сильную мускулатуру и обтекаемую форму тела. В связи с высокой плотностью воды давление с
глубиной сильно растет. Глубоководные обитатели способны переносить давление, которое в тысячи раз выше, чем на поверхности суши.
Свет проникает в воду лишь до глубин в 100–200 м, поэтому растительные организмы могут существовать только в верхних горизонтах водной толщи. На больших глубинах растений нет, а глубоководные животные обитают в
полном мраке.
Температурный режим в водоемах более мягок, чем на суше. Из-за высокой теплоемкости воды колебания температуры в ней сглажены, и водные обитатели не сталкиваются с необходимостью приспосабливаться к сильным морозам или сорокаградусной жаре.
Одна из сложностей жизни водных обитателей — ограниченное количество кислорода. Его растворимость не очень велика и, к тому же, сильно
уменьшается при загрязнении или нагревании воды. Поэтому в водоемах иногда бывают заморы — массовая гибель обитателей из-за нехватки кислорода,
которая наступает по разным причинам.
Солевой состав среды также очень важен для водных организмов. Морские виды не могут жить в пресных водах, а пресноводные — в морях из-за
нарушения работы клеток.
Наземно-воздушная среда жизни в целом более сложна и разнообразна,
чем водная. В ней много кислорода, много света, более резкие изменения температуры во времени и в пространстве, значительно слабее перепады давления
и часто возникает дефицит влаги. Хотя многие виды могут летать, а мелкие
насекомые, пауки, микроорганизмы, семена и споры растений переносятся воздушными течениями, питание и размножение организмов происходит на поверхности земли или растений. В такой малоплотной среде, как воздух, организмам необходима опора. Поэтому у наземных растений развиты механические ткани, а у наземных животных сильнее, чем у водных, выражен внутренний или наружный скелет.
У наземных обитателей очень разнообразны приспособления, связанные с
обеспечением себя водой, особенно в засушливых условиях. У растений это
мощная корневая система, водонепроницаемый слой на поверхности листьев и
стеблей, способность к регуляции испарения воды через устьица. У животных
26
это различные особенности строения тела и покровов, обмен веществ, также
соответствующее поведение, например, миграции к водопоям.
Почва как среда жизни. Почва представляет собой тонкий слой поверхности суши, переработанный деятельностью живых существ. Её глубина составляет не более 1,5–2 м. Твердые частицы пронизаны в почве порами и полостями, заполненными частично водой и частично воздухом. В этих порах и полостях или на поверхности твердых частиц обитает огромное множество микроскопических существ: бактерии, грибы, простейшие, круглые черви, членистоногие, мелкие водные организмы. Объем мелких полостей в почве – очень
важная ее характеристика. В рыхлых почвах он может составлять до 70 % , а в
плотной — около 20 %.
Воздух в почвенных полостях всегда насыщен водяными парами, а состав
его обогащен углекислым газом и обеднен кислородом. Соотношение воды и
воздуха в почвах постоянно меняется в зависимости от погодных условий.
Температурные колебания очень резки у поверхности, но быстро сглаживаются
с глубиной.
Главная особенность почвенной среды — постоянное поступление органического вещества в основном за счет отмирающих корней растений и опадающей листвы. Это ценный источник энергии для бактерий, грибов и многих
животных. Ее скрытый от глаз мир очень богат и разнообразен.
Живые организмы как среда жизни. Паразитизм — широко распространенное в природе явление. Паразиты могут населять полости тела хозяина,
проникать в ткани или внутрь отдельных клеток. Кроме паразитов, видыхозяева могут иметь полезных сожителей. Например, жвачные животные не
смогли бы переваривать пищу без разнообразных бактерий и инфузорий, населяющих их желудок. Пищеварение человека также осуществляется с помощью
полезной микрофлоры.
Паразиты и другие обитатели органов и тканей хозяев живут в условиях
практически неограниченного запаса пищи. Организм хозяина служит им также
защитой от внешних воздействий. Основные экологические трудности в жизненном цикле паразитов – их перенос от одного хозяина к другому, поэтому на
той стадии, когда они попадают во внешнюю среду, у них развиваются сложные защитные оболочки.
27
1.7 Экологические факторы среды
Экологический фактор — это любое условие среды, способное оказывать прямое или косвенное влияние на живой организм хотя бы на протяжении
одной из фаз его индивидуального развития.
Экологические факторы весьма разнообразны, имеют разную природу и
специфику действия. Их подразделяют на абиотические, биотические и антропогенные.
Абиотические факторы — это все свойства неживой природы, прямо
или косвенно влияющие на живые организмы (свет, температура, радиация,
давление, влажность воздуха, солевой состав воды, рельеф местности и т.д.).
Биотические факторы — это прямые и опосредованные формы воздействия живых существ друг на друга. Любой организм в реальных условиях постоянно испытывает на себе самое различное влияние других существ.
Под антропогенным фактором понимают фактор, косвенно обязан-
ный своим происхождением деятельности (настоящей и прошлой) человека.
В последние годы антропогенные факторы, учитывая силу их воздействия,
выделяют как отдельную категорию экологических факторов.
Существуют и другие подходы к классификации экологических факторов: поочередности (первичный и вторичный); по времени (эволюционный и
исторический); по происхождению (космический, абиотический, биогенный,
биотический, биологический, природно-антропогенный); по среде возникнове-
ния (атмосферный, водный, геоморфологический, эдафогенный, физиологический, генетический, популяционный, биоценотический, экосистемный, биосферный); по степени воздействия (летальный, приводящий живой организм к
гибели; экстремальный; лимитирующий; беспокоящий; мутагенный; тератогенный, приводящий к уродствам в ходе индивидуального развития).
В табл. 1.2 приведен один из вариантов классификации экологических
факторов среды.
28
Таблица 1.2
Абиотические
Биотические
Климатические: свет, температура, влага,
движение воздуха, давление
Фитогенные: растительные организмы
Эдафогенные: (от «эдафос» — почва): меха-
нический состав, влагоемкость, воздухопро-
ницаемость, плотность
Зоогенные: животные организмы
Орографические: рельеф, высота над уров-
нем моря, экспозиция склона
Микробиогенные: вирусы, простейшие бак-
терии
Химические: газовый состав воздуха, соле-
вой состав воды, концентрация, кислотность
и состав почвенных растений
Антропогенные: деятельность человека
Классификация экологических факторов среды
1.8 Лимитирующие факторы
Существование и выносливость организма часто оказываются чувствительными к двум или большему числу факторов ОС. В таких случаях решающее значение будет принадлежать такому фактору или ресурсу, который имеется в минимальном, с точки зрения потребностей организма количестве.
Эта идея легла в основу так называемого закона минимума, сформулированного немецким химиком Ю. Либихом (1840): выносливость организма
определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей.
Этот закон учитывается в практике сельского хозяйства. Юстус фон Либих установил, что продуктивность культурных растений, в первую очередь,
зависит от того питательного вещества, который представлен в почве наиболее
слабо. Например, если фосфора в почве лишь 20 % от необходимой нормы, а
кальция — 50 % от нормы, то ограничивающим фактором будет недостаток
фосфора; необходимо в первую очередь внести в почву именно фосфорсодержащие удобрения.
Сущность данного закона заключается в том, что любой экологический
фактор имеет определенные пределы влияния на живые организмы. Как недостаточное, так и избыточное действия фактора сказывается на жизнедеятельности живых организмов.
Закон толерантности. В. Шелфордом в 1913 г. этот закон был сформулирован следующим образом: отсутствие или невозможность развития экосистемы определяется не только недостатком, но и избытком любого из факторов
29
(тепла, света, воды). Следовательно, организмы характеризуются как экологическим минимумом, так и максимумом. Слишком много хорошего тоже плохо.
Диапазон значений фактора, за границами которого нормальная жизнедеятельность живых организмов становится невозможной, называется пределами
выносливости или экологической толерантности. Таким образом, закон эко-
логической толерантности, сформулированный В. Шелфордом, в общем ви-
де можно сформулировать и так: рост и развитие организмов зависит в
первую очередь от тех факторов среды, значения которых приближаются
к экологическому минимуму или экологическому максимуму. В соответствии
с законом толерантности даже единственный фактор за пределами зоны своего
оптимума приводит к стрессовому состоянию организма, а за пределами устойчивости – к его гибели. Согласно закону толерантности, любой избыток вещества или энергии оказывается загрязняющим среду.
Учение о лимитирующих факторах облегчает изучение сложных ситуаций
во взаимоотношениях организмов и среды их обитания. При этом следует понимать, что не все факторы среды имеют одинаковое экологическое значение.
Важным лимитирующим фактором в современных условиях является загрязнение природной среды. Оно происходит в результате внесения в среду
веществ, которых в ней либо не было (металлы, новые синтезированные химические вещества) и которые не разлагаются вовсе, либо существующих в биосфере (например, углекислый газ), но вносимых в чрезмерно больших количествах, не дающих возможности их переработать естественным способом. Загрязнение приводит к нежелательному изменению физических, химических и
биологических характеристик среды, которое оказывает неблагоприятное влияние на экосистемы и человека.
1.9 Взаимодействие экологических факторов
Все экологические факторы среды обитания действуют на организмы
совместно. При этом оптимальная зона и пределы выносливости последних по
отношению к какому-либо фактору могут смещаться в зависимости от того, с
какой силой и в каком сочетании действуют одновременно другие факторы. Эта
закономерность носит название взаимодействия факторов. Так, например, в
мороз животные могут погибнуть при отсутствии пищи, но относительно нормально себя чувствовать при ее достатке. Жару легче переносить в сухом, а не
во влажном воздухе.
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]