экология лпз

ЗАНЯТИЕ №1

Окружающая среда и антропогенные экологические кризисы

Цель занятия: изучить понятие окружающей среды и основные антропогенные кризисы современности.

Окружающая среда как фактор существования живых организмов

Живое неотрывно от среды. Каждый отдельный организм, являясь самостоятельной биологической системой, постоянно находится в прямых или косвенных отношениях с разнообразными компонентами и явлениями окружающей его среды, или иначе, среды обитания.

«Средой» называют все, что окружает организмы, прямо или косвенно влияет на их состояние, развитие, возможности выживания и размножения. Для организмов важен химический состав среды, её физическое состояние (температура, давление, уровень радиации, подвижность частиц, ионизация растворов, электрическое состояние). В состав среды входят и все другие организмы своего и других видов, прямо или косвенно контактирующие с данным видом.

Влияние среды на живые организмы. Адаптация организмов к среде.

Организмы, испытывая потребность в притоке вещества, энергии и информации, полностью зависят от среды.

В процессе приспособления к окружающей среде организм, взаимодействуя с ней отдаёт и принимает различные вещества, энергию, информацию.

Поскольку внешняя среда служит для организма источником энергии и материала для построения собственного тела, а отходы метаболизма, уже не пригодные для использования, выводятся обратно в среду обитания, то любой организм или группа одинаковых организмов в процессе жизнедеятельности будут неизбежно изменять внешнюю среду, истощая её ресурсы и перегружая отходами. В силу этого постоянство состава среды возможно лишь при наличии большого разнообразия организмов, населяющих общую территорию.

С экологической позиции 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.

В научной литературе по-разному трактуется понятие «среда» в зависимости от степени конкретизации. Так внешняя среда определяется как совокупность сил и явлений природы, её вещество и пространство, любая деятельность человека (организма), находящаяся вне рассматриваемого объекта или субъекта и необязательно непосредственно контактирующая с ним.

На нашей планете можно выделить 4 качественно отличные среды жизни.

1) Водная. Вода служит средой обитания многих организмов.

Из воды они получают все необходимые для жизни вещества: пищу, воду, газы. Большое разнообразие водных организмов характеризует их приспособленные особенности в водной среде. Эти особенности определяются физическими и химическими свойствами воды.

Способность перемещаться в водной среде обусловлена специальными приспособлениями самих организмов (многочисленные выросты, плавники).

Дыхание водных организмов может совершаться всей поверхностью тела или специальными органами – жабрами.

2) Наземно-воздушная среда. Освоенная позже в ходе эволюции водной, более сложна и разнообразна. Её свойственен более высокий уровень организации живого.

Наиболее важным фактором в данной среде являются свойства и состав воздушных масс. Кроме того, разнообразны формы движения: бегание, прыгание, ползание, полёт.

Условия жизни существенно меняются, чем в водной среде.

3) Почвенная. Верхний слой почвы характеризуется необычайно богатой жизнедеятельностью. Некоторые организмы проводят в почве всю жизнь, другие – частично.

4) Внутренняя среда организма. Тела многих организмов могут служить жизненной средой для других организмов (паразитов, симбионтов и др.). Главную роль для них играет обилие пищи, относительная стабильность условий, защищённость от неблагоприятных факторов, но в то же время активное сопротивление организма-хозяина.

Более полнее и правильнее данное понятие характеризуется как окружающая организма среда. Это то же, что и внешняя, но находящаяся в непосредственном контакте с объектом или субъектом.

Окружающая организма среда – одно из основных экологических понятий, которое означает весь спектр окружающих организма элементов и условий в той части пространства, где обитает организм, все то, среди чего он живет и с чем непосредственно взаимодействует.

Понятие «окружающая среда» было введено в экологию немецким биологом Я. Юкскюлем (1864-1944), который считал, что живые существа и среда их обитания взаимосвязаны между собой и образуют вместе единую систему окружающей их действительности.

К окружающей среде относится вся природная среда (возникшая на Земле вне зависимости от человека и унаследованная им от предшествующих поколений) и техногенная среда (то есть среда, созданная человеком) (рис. 1).

Различают природную и техногенную окружающую среды.

Природная среда существует на Земле независимо от человека. Она определяется совокупностью естественных условий существования организмов. Природная среда включает в себя растительный и животный мир, а также океаны, леса, горы, реки и т.д. Прямо и косвенно она влияет на состояние и свойства организма.

Природная среда в свою очередь делится:

- на абиотическую природную среду – все силы и явления природы, происхождение которых прямо не связано с жизнедеятельностью ныне живущих организмов;

- на биотическую природную среду – силы и явления природы, обязанные своим происхождением жизнедеятельности ныне живущих организмов.

Техногенная среда создана человеком, она включает в себя строения, производства, машины и т.д. Таким образом, являясь частью природы, человек воздействует на природу и изменяет её.

Свойства среды постоянно меняются и любой объект биотической природы, чтобы выжить, приспосабливается к этим изменениям. Таким образом, совокупность абиотических (неживых) и биотических (живых) условий его жизни образуют среду обитания организма.

Общая схема соотношения компонентов окружающей среды представлены на рисунке 2.ВВЕДЕНИЕ

Самостоятельно тема 1

Общая схема соотношения компонентов окружающей среды представлены на рисунке 2.

Термины и определения к рисунку 2:

• природная среда (также природа) – совокупность компонентов природной среды, природных и природно-антропогенных объектов;

• компоненты природной среды – земля, недра, почвы, поверхностные и подземные воды, атмосферный воздух, растительный, животный мир и иные организмы, а также озоновый слой атмосферы и околоземное космическое пространство;

• природный объект – естественная экологическая система, природный ландшафт и составляющие их элементы, сохранившие свои природные свойства;

• антропогенный объект – объект, созданный человеком для обеспечения его социальных потребностей и не обладающий свойствами природных объектов;

• природно-антропогенный объект – природный объект, изменённый в результате хозяйственной или иной деятельности, и (или) объект, созданный человеком, обладающий свойствами природного объекта и имеющий рекреационное и защитное значение.

Среда обитания (жизни) – это часть природы, окружающая живые организмы и оказывающая на них определенное воздействие. На нашей планете живые организмы освоили 4 среды обитания: водную, наземно-воздушную, почвенную и организменную.

Различают следующие среды обитания.

1) Водная. Самая первая (древняя). Освещённость убывает с глубиной. При погружении на каждые 10 м давление возрастает на 1 атмосферу. Дефицит кислорода. Степень солёности возрастает от пресных вод к морским и океаническим. Относительно однородная (гомогенная) в пространстве и стабильная во времени.

Адаптации организма к среде: обтекаемая форма тела, плавучесть, слизистые покровы, развитие плавательного пузыря, жабер, воздухоносных полостей, осморегуляция.

2) Почвенная. Отчасти создана живыми организмами. Осваивалась одновременно с наземно-воздушной средой. Дефицит или полное отсутствие света. Высокая плотность. Неоднородная (гетерогенная) в пространстве.

Адаптации организма к среде: развитая мускулатура, конечности, более совершенная дыхательная система (лёгочное дыхание), у некоторых животных имеется копательный аппарат.

Для многих групп характерны микроскопические или мелкие размеры как приспособление к жизни в плёночной воде или в воздухоносных порах.

3) Наземно-воздушная. Обилие света и кислорода, гетерогенная в пространстве, очень динамичная во времени.

Адаптации организма к среде: выработка опорного скелета, механизмов регуляции гидротехнического режима.

4) Организменная. Жидкая (кровь, лимфа) или твёрдая (плотные ткани). Наибольшее постоянство среды во времени из всех сред обитания.

Адаптации организма к среде: коадаптация (взаимное приспособление) паразита и хозяина, симбионтов друг к другу, синхронизация биоритмов, выработка у паразита защиты от переваривания хозяином.

Антропогенные факторы – это все формы деятельности человека – прямо или косвенно, с непосредственным или отдалённым эффектом, воздействующие на естественную природную среду. Воздействия антропогенных факторов носят часто негативный характер для природы, вызывая разрушения структуры естественных природных систем, загрязнения или истощение их.

Экологические кризисы, а также бедствия и катастрофы – это нарушения природного экологического равновесия, потеря устойчивости биологическими системами.

Причинами экологических кризисов являются резкие изменения климата, состава атмосферы и почвы, уничтожение растительного и животного мира, повышение радиации и другие факторы, резко выводящие экосистемы из равновесия.

В состоянии равновесия все компоненты экосистемы находятся в состоянии подвижного равновесия друг с другом. Если происходят отклонения в одном компоненте экосистемы, то другие компоненты изменяются таким образом, что бы этот компонент вернулся в свое нормальное состояние.

Экологические кризисы, когда экосистемы выводятся из равновесия настолько, что не могут вернуться в прежнее состояние, бывают:

1) региональные, при которых нарушается экологическое равновесие в каком-то регионе Земли. Например: прорыв нефтяной скважины, сброс мусора и т.п.;

2) глобальные – на всем Земном шаре. Причинами глобальных экологических кризисов бывают резкие изменения климата, изменения скорости или направления морских течений, изменения светимости Солнца, изменения наклона земной оси к плоскости орбиты, быстрое таяние вечной мерзлоты и ледников и др.

Изменения часто имеют природный характер и не зависят от деятельности человека, они бывают циклические – закономерно повторяющиеся через равные промежутки времени, а бывают ациклические, как, например, падение Тунгусского метеорита.

Человечество также является одной из причин региональных и глобальных экологических кризисов из-за своей неразумной производственной деятельности и неограниченной рождаемости людей. Извлекая природные ресурсы, перерабатывая их, Человечество воздействует на экосистемы так, что последствия становятся необратимыми и чрезвычайно опасными.

Подобными кризисами, вызванными антропогенными воздействиями, принято считать следующие.

1) Кризис перепромысла животных (кризис консументов) или первый антропогенный экологический кризис, который произошёл 10-50 тыс. лет назад в результате интенсивного развития охоты.

Выход из кризиса: переход к производящему хозяйству (первая сельскохозяйственная революция).

2) Кризис примитивного поливного земледелия (кризис продуцентов), возник около 2 тыс. лет назад, в связи с повышением производительности сельского хозяйства и появлением излишков продукции, которые можно было менять или продавать. Кризис был вызван истощением почв.

Выход из кризиса: переход к широкому освоению неполивных земель (вторая сельскохозяйственная революция).

3) Кризис перепромысла растительного материала (кризис продуцентов) или второй антропогенный кризис, произошел 150-350 лет назад за счёт интенсивного использования ископаемых источников энергии (угля, торфа, нефти, газа и др.).

Выход из кризиса: рациональное использование природных источников.

4) Кризис физического и химического загрязнения биосферы (кризис редуцентов) или третий антропогенный (глобальный) кризис, возник 40-60 лет назад в связи с развитием научнотехнической революции.

В настоящее время третий антропогенный кризис дополнился четвертым глобальным термодинамическим (тепловым) кризисом или энергетическим кризисом потребления, связан с парниковым эффектом за счёт загрязнения атмосферы парниковыми газами.

Растущее потребление энергии и выделение парниковых газов грозит планете глобальной экологической катастрофой. Может произойти повышение уровня Мирового океана и затопление прибрежных земель) таких, как земли северной Европы) и многих крупных городов. Кроме того, уже сейчас наблюдаются локальные кризисные климатические ситуации, связанные с возникновением торнадо, смерчей, резкими перепадами погоды, наводнениями – всё это результат нарушения термодинамического режима нашей планеты. Выброс газов в атмосферу ведёт ещё к двум опасностям – выпадению кислотных осадков и разрушение озонового слоя.

Выход из кризиса: «экологическое воспитание», грамотный подход к источникам загрязнения окружающей среды, переход на альтернативные энергоресурсы.

Контрольные вопросы

1. Охарактеризуйте понятие среды, окружающей организма среды.

2. Дайте характеристику основным средам обитания живых организмов и адаптации организмов к ним.

3. Характеристика основных антропогенных экологических факторов и кризисов, причин возникновения и путей их решения.

Самостоятельно тема 2

Космические факторы: включающие в себя воздействие радиоактивного излучения на организм.

Механический состав среды: водной, воздушной, почвенной, с которыми постоянно контактируют живые организмы.

Высокотемпературные факторы: огонь, пожары, извержения, воздействующие на окружающую среду и биоту. Воздействие огня проявляется, прежде всего, в устранении конкуренции для видов, в некоторых случаях уничтожении видов или их миграции.

2. Химические факторы, включают в себя следующие группы факторов.

Эдафические, которые рассматривают количественный и качественный состав среды и включают в себя следующие разновидности факторов.

Состав водной среды: распространение и жизнедеятельность организмов в водной среде в значительной степени зависит от её химического состава.

Прежде всего, водные организмы подразделяются на пресноводные и морские в зависимости от солёности воды, в которой они обитают.

Состав воздуха: газовая смесь, сложившаяся в ходе эволюции Земли.

Состав почв: минеральная основа, органическое вещество, вода и воздух.

Биотические экологические факторы – факторы, которые связаны с живы­ ми организмами, они характеризуют влияние одних организмов на другие.

Зоогенные биотические факторы: влияние животных на растения. Например, с поеданием всего растения или нарушением структуры при вытап­ тывании и т.д.

Имеются и положительные аспекты воздействий животных на растения, например, опыление насекомыми и птицами.

Фитогенные биотические факторы: растения воздействуют на другие растения.

Микробогенные биотические факторы: непосредственное влияние ми­ кроорганизмов на организм животного или растения.

Микогенные биотические факторы: влияние грибов и продуктов их жизнедеятельности на организм животных и растений.

Антропогенные экологические факторы связаны с влиянием деятель­ ности человека, приводящие либо к прямому воздействию на живые организмы, либо к изменению среды их обитания (охота, промысел, сведение (вырубка) ле­ сов, загрязнение, эрозия почв, осушение болот и др.).

В некоторых литературных источниках можно встретить объединение в одну группу биотических (природных) и антропогенных факторов. При этом различают воздействие человека как биологического организма (потребление пищи, дыхание, выделение и т.д.) и его хозяйственную деятельность (сельское хозяйство, промышленность, энергетика, транспорт, бытовая деятельность и т.д.).

Факторы, связанные с хозяйственной деятельностью человека, называют­ ся техногенными.

Адаптации (приспособления) организмов к условиям среды

Адаптации – различные приспособления к среде обитания, выработав­ шиеся у организмов в процессе эволюции. Адаптации проявляются на разных уровнях организации живой материи: от молекулярного до биоце­ нотического. Изменения внешнего строения организмов – наиболее яркий пример адаптации к условиям жизни. Способность к адаптации – одно из основных свойств живой материи, обеспечивающее возможность её суще­ ствования.

В процессе приспособления к неблагоприятным условиям среды живые организмы смогли выработать три основных пути приспособления.

Активный путь – это усиление сопротивляемости, развитие регулятор­ ных процессов, которые позволяют осуществить все жизненные функции ор­ ганизмов, несмотря на неблагоприятные факторы. Указанный путь связан с поддержанием постоянства внутренней среды независимо от колебаний воз­ действий внешних факторов. Например, у теплокровных животных (птиц и млекопитающих), обитающих в условиях изменчивой температуры, поддер­ живается постоянная внутренняя температура, которая оптимальна для био­ химических процессов в клетках тела. Вполне очевидно, что такое активное сопротивление влиянию внешней среды требует больших затрат энергии, ко­ торую им необходимо постоянно восполнять.

Пассивный путь – связан с подчинением жизненных функций организ­ ма изменению факторов среды. Например, недостаток теплоты приводит к угнетению жизнедеятельности и понижению уровня метаболизма, что способствует экономному использованию энергетических запасов.

В случае резкого ухудшения условий среды организмы разных видов могут приостанавливать свою жизнедеятельность и переходить в состояние так называемой скрытой жизни. Так, некоторые мелкие организмы способны полностью высыхать на воздухе, а затем возвращаться к активной жизни по­ сле пребывания в воде. Такое состояние мнимой смерти называют анабиозом.

Переход в состояние глубокого анабиоза, когда практически полностью останавливается обмен веществ, существенно расширяет возможности выжи­ вания организмов в самых экстремальных условиях. Известно, что высушен­ ные семена и споры растений, а также некоторые мелкие животные (ко­ ловратки, нематоды) способны выдерживать температуры ниже минус 2000 С.

К случаям скрытой жизни могут быть отнесены оцепенении насекомых, зимний покой растений, спячка позвоночных животных, сохранение семян и спор в почве. Многие годы некоторые бактерии находятся в неактивном со­ стоянии, в том числе и болезнетворные, пока не возникнут благоприятные условия для их пробуждения и последующего размножения.

Избегание неблагоприятных воздействий – выработка организмом та­ ких жизненных циклов и поведения, которые позволяют избежать неблаго­ приятных воздействий. Например, сезонные миграции животных.

Адаптации развиваются под действием трёх основных факторов: на­ следственности, изменчивости и естественного (а также искусственного) от­ бор.

Обычно приспособление вида к среде осуществляется тем или иным со­ четанием всех трёх возможных путей адаптации. Адаптации можно разде­ лить на три основных вида.

1) Морфологические адаптации – изменения в строении организма. Например, яркая окраска. Данная адаптация у животных приводит к образо­ ванию определённых жизненных форм.

2) Физиологические адаптации – изменения в физиологии организма. Например, способность верблюда обеспечивать организм влагой, путём окис­ ления запасов жира, наличие целлюлозоразрушающих ферментов у целлюло­ зоразрушающих бактерий и др.;

3) Этологические (поведенческие) адаптации – изменения в поведении. Например, сезонные миграции млекопитающих и птиц, впадение в спячку в зимний период, брачные игры у птиц и млекопитающих в период размноже­ ния и др.

Общие закономерности воздействия экологических факторов

Воздействие экологического фактора на организм зависит от его интен­ сивности (дозы). Несмотря на многообразие влияния экологических факторов, можно выявить общие закономерности их воздействия.

При небольших значениях или при чрезмерном воздействии фактора жиз­ ненная активность организма заметно угнетается.

Наиболее эффективно действие фактора не при минимальных или макси­ мальных его значениях, а при некотором его значении, оптимальном для данно­ го организма. Диапазон действия или зона толерантности (выносливости), экологического фактора ограничен соответствующими крайними пороговыми значениями (точки минимума и максимума) данного фактора, при которых, воз­ можно, существование организма (рис. 6), т.е. это пределы выносливости вида по отношению к какому-либо конкретному воздействию.

Толерантность (от лат. – терпение) – выносливость вида по отношению к колебаниям какого-либо экологического фактора.

Точка на оси абсцисс (точка 2), которая соответствует наилучшему показа­ телю жизнедеятельности организма, означает оптимальную величину фактора – это точка оптимума. Поскольку определить оптимальное значение фактора с высокой точностью бывает трудно, говорят о диапазоне значений по­ следнего – о зоне оптимума или зоне комфорта. Таким образом, три точки (оп­ тимума, минимума и максимума) составляют три кардинальные точки, которые определяют возможность реакции организма на данный фактор. За пределами зоны толерантности – нижним и верхним пределами образуют летальные значе­ ния фактора, при которых наступает гибель организма.

Условия среды, в которых какой-либо фактор (или совокупность факто­ ров) выходит за пределы зоны оптимума (комфорта) и оказывает угнетающее действие, называют экстремальными (стрессовыми).

Зона выносливости (толерантности) или диапазон у стойчивости

Рис. 6. Общая схема действия экологического фактора на живой

организм:

1 – точка минимума, 2 – точка оптимума; 3 – точка максимума

Рассмотренные выше закономерности воздействия экологических факто­ ров на живые организмы и характер ответных реакций последних составляют правило (закон) оптимума – любой экологический фактор имеет определенные пределы положительного влияния на живые организмы.

Рассмотрим явление толерантности на примере растения: для разных ви­ дов растений или животных условия, в которых они особенно хорошо себя чув­ ствуют, неодинаковы. Например, одни растения предпочитают очень влажную почву, другие – сухую. Одни требуют сильной жары, другие лучше переносят более холодную среду и т.п. В лабораторных экспериментах эти различия про­ являются особенно четко.

Проведены следующие лабораторные исследования. Растения выращива­ ют в различных камерах, где контролируются все абиотические факторы. При этом один фактор изменяется, а остальные остаются неизменными. В данном случае изменяется температура.

Результаты исследований показывают, что по мере повышения температу­ ры от некоторой величины, ниже которой рост вообще не возможен, растение развивается всё лучше и лучше, пока скорость роста не достигнет максимально­ го значения. При дальнейшем повышении температуры растение будет чувство­ вать себя всё хуже и хуже и в конечном итоге погибнет. Графически это можно изобразить на рисунке 7.

У каждого фактора, влияющего на рост, размножение и выживание орга­ низма, есть оптимум, зона стресса и далее зона, в которой существование дан­ ного организма не возможно.

Сходные эксперименты можно провести и для проверки влияния других факторов, причём результаты графически всегда одинаковы.

Подобные эксперименты показывают, что виды могут существенно разли­ чаться с точки зрения оптимальных условий и пределов устойчивости. Напри­ мер, количество воды оптимальное для одного вида вызывает стресс у другого и приводит к гибели третий вид. Некоторые растения вообще не пере­ носят заморозков (t<0°C), это ведёт к их гибели, другие растения способны вы­ жить при небольших холодах, а есть растения, для которых несколько недель отрицательных температур – необходимое условие завершения жизненного цик­ ла. То же самое справедливо и для других экологических факторов.

В описанном выше эксперименте изменялся только один фактор, а осталь­ ные как бы соответствовали зоне оптимума. Таким образом, наблюдается дей­ ствие закона лимитирующего фактора: даже единственный фактор за пределами своего оптимума приводит к стрессовому состоянию организма, а в пределе – к его гибели.

Существование и выносливость организма часто подвергаются воздей­ ствию двух или большему числу факторов окружающей среды. Тогда решаю­ щее значение будет принадлежать такому фактору, который имеется в мини­ мальном количестве, т.е. «закона минимума», сформулированного немецким хи­ миком Ю. Либихом (1840). Согласно данному закону – выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей, то есть жизненные возможности лимитируются экологическими факторами, коли­ чество и качество которых близки к необходимому организму минимуму; даль­ нейшее её снижение ведёт к гибели организма.

В дальнейшем американский ученый В. Шелфорд (1913) определил, что факт существования организма может определяться не минимальным значени­ ем, а наоборот, избытком любого из факторов, сформулировав основу закона то­ лерантности: лимитирующим фактором процветания (жизнедеятельности) орга­ низма (вида) может быть как минимум, так и максимум экологического воздей­ ствия, диапазон между которыми определяет величину выносливости (толе­ рантности) организма к данному фактору.