Куренщиков ДК_Экология_лекции_2013_1

в) движение только под действием силы тяжести; г) протекание биохимических реакций под давлением выше 1000 кПа.

4.Выберите два правильных ответа. Признаки, характерные только для живых организмов:

а) обмен веществом с внешней средой; б) способность реагировать на внешние раздражения; в) движение под действием силы тяжести; г) адаптированность к среде обитания.

5.Выберите правильный ответ. Средообразующая функция растений проявляется:

а) в выделении кислорода в атмосферу; б) появлении оврагов и оползней; в) иссушении болот; г) обмелении рек.

6.Выберите правильный ответ. Формой концентрации живого вещества является:

7.Выберите правильный ответ. Фундаментальная роль живого вещества состоит:

а) в минерализации азота; б) создании неорганических веществ;

в) деструкции органических веществ; г) поддержании непрерывного круговорота веществ.

8.Выберите правильный ответ. Основой малого биологического круговорота является:

9. Поставьте в правильной последовательности этапы биологического круговорота:

а) консументы 1-го порядка; б) фотосинтез; в) консументы 2-го порядка;

г) минерализация; д) редуценты.

51

10.Выберите правильный ответ. Движущей силой биогеохимического круговорота является:

а) энергия солнца и деятельность живого вещества; б) ветер в верхних слоях атмосферы; в) положительные температуры поверхности Земли; г) действие космических излучений.

11.Выберите два правильных ответа. Через осадочный круговорот проходят следующие химические элементы:

12.Поставьте в соответствие большой и малый круговороты веществ

ипроцессы, обусловливающие их:

13.Выберите два правильных варианта ответа. Круговороты биогенных элементов в биосфере делятся на 2 основных типа:

а) круговороты газообразных веществ; б) круговороты осадочных веществ; в) круговороты инсектицидов; г) круговороты тяжелых металлов.

14.Выберите один правильный вариант ответа. Озоновый слой представляет собой:

а) широкую область в атмосфере, где концентрация озона максимальна;

б) широкую область в атмосфере, где сосредоточена жизнь; в) наиболее прогретый слой атмосферного воздуха;

г) газовую оболочку Земли, состоящую из смеси инертных газов.

15.Выберите один правильный вариант ответа. По В.И. Вернадскому, оболочка земли, в геологическом прошлом подвергшаяся воздействию жизни, – это:

16. Выберите один правильный вариант ответа. В.И. Вернадский к биогенным веществам в биосфере относил:

а) уголь, известняк, нефть; в) мрамор, яшму, гнейсы; б) кварц, песок, базальт; г) фосфор, серу, озон.

52

17.Выберите один правильный вариант ответа. Свободный азот атмосферы вовлекается в биологический круговорот:

а) клубеньковыми бактериями; б) грибами; в) лишайниками;

г) химическими реагентами.

18.Выберите правильный ответ. Термин «Биосфера» впервые был использован;

19.Соотнесите виды веществ, согласно учению В.И. Вернадского,

иобъекты природы:

20. Выберите два правильных ответа. В биогеохимическом круговороте выделяют следующие формы запаса веществ:

21. Выберите правильный ответ. Выделение кислорода в атмосферу происходит в результате следующей реакции:

22. Выберите правильный ответ. К продуцентам относятся:

23. Выберите два правильных ответа. К консументам первого поряд-

24. Выберите два правильных ответа. К редуцентам относятся:

53

Лекция 3 СРЕДЫ ЖИЗНИ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

План лекции

3.1.Среды жизни.

3.1.1.Гидросфера и особенности водной среды.

3.1.2.Почва как среда обитания и ее особенности.

3.1.3.Атмосфера и ее характеристики.

3.1.4.Организменная среда обитания, ее особенности.

3.2.Адаптации организмов к среде обитания.

3.3.Экологические факторы среды, классификация.

3.3.1.Абиотические факторы.

3.3.2.Биотические факторы.

3.3.3.Антропогенный факторы.

3.4.Закономерности воздействия экологических факторов на организмы.

3.4.1.Закон оптимума.

3.4.2.Закон лимитирующих факторов (закон минимума).

3.4.3.Закон толерантности.

3.5.Зоогеографические правила.

3.5.1.Правило Бергмана.

3.5.2.Правило Аллена.

3.5.3.Правило А. Уоллеса.

3.5.4.Правило предварения Алехина–Вальтера (1951).

3.5.5.Правило биологического усиления.

Тестовые задания.

3.1. Среды жизни

3.1.1. Гидросфера и особенности водной среды

В состав биосферы входят четыре основных элемента, которые замечательным образом совпадают со средами жизни на Земле: гидросфера (водная среда), литосфера (почва как среда обитания), атмосфера (наземно-воздушная среда) и биотический компонент (организм как среда обитания для внутренних паразитов).

Как известно, жизнь зародилась в воде, и поэтому первой средой обитания является гидросфера, которая включает в себя объекты, содержащие воду в любом состоянии: океаны, моря, реки, озера, ледники,

подземные водохранилища и т. д. Вода – это уникальное вещество. На земле она устойчиво существует в трех агрегатных состояниях: газообразном (пар), жидком (собственно вода), твёрдом (лёд).

54

Особенности водной среды. В отличие от огромного большинства других веществ, увеличивающих свою плотность при охлаждении, вода имеет наименьшую плотность при температуре несколько ниже +4 °С. Плотность льда меньше плотности воды, что позволяет льду плавать на поверхности. Такая способность позволяет не только кататься на коньках зимой, но и сохраняет дно больших водоемов от промерзания, что в свою очередь способствует выживанию придонных организмов.

Другое замечательное свойство воды – способность растворять неорганические соединения, что позволяет живым существам использовать образовавшиеся при этом ионы в метаболизме, образуя новые соединения, в большинстве случаев органические. Особенностями гидросферы (водной среды обитания) являются значительная вязкость воды, что привело к максимальному развитию разнообразия не только бентосных, но и планктонных и нектонных форм жизни12. Именно характеристики воды, но не пара и льда, влияют на качество жизни водных (да и всех остальных: почвенных, наземных, паразитарных) обитателей Планеты.

Основные характеристики воды

Содержание растворенного кислорода (РК ). Кислород обязательно присутствует в поверхностных водах, обеспечивая дыхание гидробионтов. Содержание кислорода в воде, примерно, в 20–30 раз меньше, чем в атмосфере. В воду он попадает либо в результате абсорбции из атмосферного воздуха, либо с талыми водами и атмосферными осадками, либо в результате фотосинтетической активности водорослей, микроорганизмов и водных сосудистых растений. Концентрация РК зависит от многих факторов. Так, она повышается при снижении температуры воды и повышении атмосферного давления, а при повышении минерализации воды – снижается. Снижение концентрации РК ниже 2 мг/л приводит к гибели гидробионтов. Предельно допустимая концентрация РК водоемов рыбохозяйственного использования установлена в 6 мг/л для особо ценных пород рыбы и 4 мг/л для других пород [41]. Процент РК снижается при продвижении вглубь водоемов, особенно обладающих большими глубинами.

Соленость. Среднее содержание солей в морях и океанах составляет 35 весовых частей на 1000 частей воды, или 35 ‰ (промилле)13. Более 25 % растворенных минеральных веществ приходится на хлорид натрия (NaCl, поваренная соль), остальные проценты – главным образом на соли магния, кальция, калия. В пресных во-

12Бентосные организмы – ведут донный образ жизни; планктонные организмы – парят в воде и пассивно переносятся течением; нектонные организмы – активно передвигаются в толще воды.

13Промилле – указывает количество частей вещества на 1000 частей воды. Обозначается ‰.

55

доёмах концентрация солей менее 0,5 ‰. Вода в соленых водоемах сильно забуферена (англ. buffer смягчать толчки, способность воды сохранять активную реакцию среды) и имеет постоянную кислотность (pH = 8,2) [34]. Именно благодаря солености существует подразделение водоемов на пресные и морские (соленые). В течение эволюции гидробионты приспособились к обитанию в воде с определённой солёностью.

Пресные континентальные водоёмы подразделяются на две группы: стоячие водоемы, к которым относятся озера, пруды, водохранилища, и текучие – реки, ручьи. Об особенностях экологических условий в таких водоемах речь пойдет ниже. Характеристика напрямую зависит от минерализации воды.

Электропроводность. Правильнее эту характеристику называть «удельная электропроводность». Величина, обратная удельному сопротивлению. Измеряется инструментально и выражается в сименсах или микросименсах (международная единица измерения 1 См = 1 Ом).

Давление повышается с увеличением глубины в среднем на 1 атмосферу давления каждые 10 метров. Значительно влияет на количественный и качественный состав биоты, ограничивая проникновение вглубь поверхностных форм жизни, в том числе и человека. На глубине часто встречаются формы жизни, непривычные для обычного человека.

Прозрачность воды определяется наличием взвешенных веществ и мощностью водного слоя. От прозрачности напрямую зависит РК – чем прозрачнее вода, тем больше в ней водорослей, поставляющих кислород во внешнюю среду. В природе прозрачность водоёмов измеряется при помощи специального приспособления – диска Секки. Диск погружают в воду на глубину, пока он виден наблюдателем. Средняя прозрачность в соленых водоемах 30–50 м. В лабораторных условиях инструментально измеряют оптическую плотность образца воды с помощью специальных приборов – фотоэлектрокалориметров.

Температура. Зависит от температуры внешней среды (атмосферы), ландшафтов, в которых находится водоем или водоток («горные» реки холоднее «равнинных»), глубины, на которой измеряется температура (амплитуда суточного и сезонного колебания температуры верхних слоев воды значительно больше, чем таковая глубинных слоев). По причине своей большой теплоёмкости вода медленно (по сравнению с атмосферным воздухом и почвой) нагревается и медленно отдает свое тепло. В результате, зимняя температура в морях и океанах выше температуры воздуха. Летом наблюдается обратная картина: температура воды ниже атмосферной. Этим явлением определяется климат прибрежных территорий.

56

Органолептические характеристики. Кроме рассмотренных характеристик воды, которые определяются инструментально (то есть с помощью различных приборов, приспособлений, механизмов), существует ряд характеристик, которые можно оценить с помощью нормальных органов чувств человека. Такие характеристики получили название «органолептические» (греч. organon орудие, инструмент и leptikos вбирающий).

Прежде всего, это запах. Разумеется, интенсивность и характер запаха – характеристики субъективные, так как в силу врожденных особенностей каждый человек обоняет по-своему. Шкала интенсивности запаха имеет значения от 0 до 5 по возрастанию. Определение характера запаха тоже субъективно. Но если в определении запаха участвует группа исследователей, то с большой долей вероятности можно предположить, что в целом такой метод дает объективную картину.

При определении цветности воду помещают в стеклянный цилиндр и «на глазок» сравнивают со стандартом. Сравнение происходит в одинаковых условиях на белом фоне – для того, чтобы в оценку не примешался другой цвет фона. Следует подчеркнуть, что такие характеристики, как соленость и кислотность воды не относятся к органолептическим

характеристикам. Хотя мы можем при помощи вкусовых рецепторов определить, солёная это вода или пресная, кислая или щелочная (по вкусу похожа на мыло), но не существует шкалы органолептического определения этих характеристик и, напротив, есть шкалы, которые используются при инструментальном измерении этих параметров.

3.1.2. Почва как среда обитания и ее особенности

Почва как среда обитания и как природное тело чрезвычайно важна для функционирования и существования всей биосферы. Являясь, как было сказано ранее, биокосным телом (веществом), почва образовалась при взаимодействии подстилающей породы (верхней части литосферы), атмосферной влаги (водяных паров и атмосферных осадков) и атмосферы. Таким образом, почва представляет собой трехфазную систему, в которой твердые частицы окружены воздухом и водой.

57

чатые черви 1 – основные животные, поддерживающие плодородие почвы); жуки 2 нескольких семейств и их личинки; многоножки 3, 4 пауки; кроты и другие 2, 6, 7. Большинство животных не всю жизнь проводят в почве, но используют её как укрытие (норы лис, барсуков, мышевидных грызунов, гнезда птиц). Почва служит субстратом для многочисленных видов живых существ, обитающих в воздушно-наземной среде обитания: животных, растений, грибов.

Благодаря плодородию почвы существуют не только луга и леса, но и сельскохозяйственные поля, на которых растут и вызревают различные сельскохозяйственные культуры – наша с вами основа питания. Под плодородием в настоящее время понимается возможность удовлетворения почвой потребностей растений в химических элементах и соединениях: гумусовых кислотах, фосфоре, азоте, калии. По своему составу почвы различны в различных географических районах Земного шара и ландшафтах: луговые, лесные, болотные, тундровые почвы. Рассматриваемое биокосное тело является трехфазным: минеральная составляющая, вода, газовая составляющая. Таким образом, в почве интегрированы все элементы биосферы.

Особенности почвы как среды обитания

Нулевая освещенность, обусловившая специфические приспособления обитающих в ней животных: частичная или полная редукция зрения (например, у кротов), ориентация в пространстве при помощи слуха, механических или обонятельных рецепторов.

Высокая плотность, ставшая причиной развития у животных морфологических приспособлений: у медведок (Gryllotalpa gryllotalpa), равно как кротов и у многих других обитателей почвы, развиты передние конечности, предназначенные для прокладывания ходов в субстрате. Строение тела медведки адаптировано для передвижения

впочве. Кроме того, медведка способна к полёту.

Сдругой стороны, некоторые почвенные животные могут изменять форму тела, передвигаясь в порах между минеральными частицами.

Ктаким животным относятся, в первую очередь, кольчатые черви.

Разнородность почвы по вертикали и горизонтали создает условия для формирования множества экологических ниш.

Относительная безопасность существования . Эта особенность демонстрируется размещением в почве стадий покоя многих насекомых (куколки жуков, бабочек, яйца прямокрылых).

Содержание воды и разнообразных газов довольно высокое и стабильное.

Концентрация органических и неорганических веществ значительная.

Температурный режим относительно стабильный.

58

Основные характеристики почвы

Характеристики почвы выражаются в её химическом и физическом составе.

Кислотность. Повышенная кислотность может стать препятствием для получения высокого урожая сельскохозяйственных культур и угнетения микробного комплекса почв. Аборигенная флора адаптирована к таким условиям, и искусственное изменение кислотности может привести к её деградации. Кислотность почвы, как и других субстратов, определяется количеством ионов водорода в почвенном растворе и выражается в единицах pH.

Влажность почвы – фактор, регулирующий большинство процессов в этой среде обитания. Капельная или пленочная влага необходима для жизнедеятельности простейших животных и микроорганизмов, развития мицелия грибов, подземных структур высших растений. Вместе с водой они получают необходимые для жизнедеятельности минеральные вещества, находящиеся в воде в растворенном виде. Засуха является катастрофическим явлением, приводя к потере урожайности сельскохозяйственных культур и при долговременном отсутствии атмосферных осадков – к опустыниванию местности. Избыточное количество влаги в почве может привести к загниванию подземных частей высших растений и гибели или миграции почвенных

животных. Примером такой вертикальной миграции служат кольчатые черви, встречающиеся на поверхности почвы (асфальта, плитки) после дождя. Дело в том, что выпавшие атмосферные осадки вытесняют из почвы кислород, необходимый для дыхания кольчатых червей. Для выявления содержания воды в почве обычно определяется абсолютная влажность – выраженное в процентах соотношение массы воды к массе почвы.

Химический состав. Ряд химических элементов обязательно присутствуют в телах живых организмов. Такие элементы получили название биогенных (не путать с биогенным веществом!). Прежде всего, к биогенным элементам относятся кислород и водород. Концентрация в почве углерода, азота, фосфора, калия – эти элементы тоже относятся к биогенным – определяет оптимальные условия существования растительности, а в случае выращивания сельскохозяйственных культур – плодородие почвы и, в конечном итоге, урожайность. Широко известны различные минеральные удобрения – калийные, фосфорные, азотные, призванные изменять соотношение основных биогенных элементов в почве возделываемого участка и, следовательно, оптимизировать произрастание культурных растений.

Кроме концентрации биогенных элементов важную роль играет их соотношение. Так, в настоящее время признано, что в почве должно быть в 40 раз больше углерода, чем азота, то есть C/N = 40. На упаковке удоб-

59

рений, предлагаемых в настоящее время на рынке, всё чаще можно увидеть обозначение C/N/P, то есть пропорции углерод/азот/фосфор в предлагаемом продукте. Важным биогенным элементом является азот. Как было сказано выше, азот занимает первое место по концентрации в атмосфере. К сожалению, атмосферный азот недоступен растениям. Переводить азот в доступные формы естественным путём способны специализированные бактерии, либо живущие свободно в почве (р. Azotobacter), либо в симбиозе с корнями бобовых растений (р. Rhizobium).

3.1.3.Атмосфера (наземно-воздушная среда обитания)

иее характеристики

Атмосфера представляет собой газовую оболочку, совместно вращающуюся вместе с планетой и обладающую электрическим зарядом. Животные (аэробионты), обитающие в наземно-воздушной среде и освоившие полёт, получили несомненные конкурентные преимущества (рис. 20).

К таким преимуществам относятся: менее энергетически затратные миграции, способность эффективнее ускользать от естественных врагов, повышение вероятности встречи полового партнера, экономное фуражирование14.

Особенности атмосферы как сре-

сутки и до 70 °С за сезон), вследствие низкой теплоемкости и теплопроводности воздуха;

недостаток воды, который часто является лимитирующим фактором. Вода в атмосфере присутствует в виде пара или капель, снега или льда;

значительная подвижность среды и атмосферного давл е- ния. Согласно шкале Бофорта, принятой в 1808 г., ураганным считается ветер, скорость которого выше 32,6 м/с. Максимальный зарегистрированный порыв ветра на Планете – 113,3 м/с;

низкая плотность и вязкость воздуха способствуют формированию морфологически разнообразных форм тела у аэробионтов;

14 Фуражирование – деятельность живых существ по добыванию и использованию (в соответствии с биологией вида) корма.

60