Размещено на http://www.allbest.ru/

Экология - это наука о связях живых организмов с окружающей средой. Эти связи образуют единую и очень сложную систему, которую мы называем жизнью на Земле.

Охрана окружающей среды - это не региональная, а всемирная задача, поскольку вся природа взаимосвязана

Основными направлениями инженерной защиты окружающей природной среды от загрязнения и других видов антропогенных воздействий являются внедрение ресурсной технологии, биотехнологий, утилизации и детоксикации отходов, а главное - экологизация всего производства, при котором обеспечивалось бы включение всех видов взаимодействия с окружающей средой в естественные циклы круговорота веществ. Эти принципиальные направления основаны на цикличности материальных ресурсов и заимствованы у природы, где, как известно, действуют замкнутые циклические процессы. Технологические процессы, в которых в полной мере учитываются все взаимодействия с окружающей средой и приняты меры к предотвращению отрицательных последствий, называют экологизированными. Подобно любой экологической системе, где вещество и энергия расходуются экономно и отходы одних организмов служат важным условием существования других, производственный экологизированный процесс, управляемый человеком, должен следовать биосферным законам, и в первую очередь закону круговорота веществ.

Другой путь, например создание всевозможных, даже самых совершенных очистных сооружений, не решает проблему, так как это борьба со следствием, а не с причиной. Основная причина загрязнения биосферы - это ресурсоемкие и загрязняющие технологии переработки и использования сырья. Именно эти так называемые традиционные технологии приводят к огромному накоплению отходов и к необходимости очистки сточных вод и утилизации твердых отходов.

Новейший вид инженерной защиты - это внедрение биотехнологических процессов, основанных на создании необходимых для человека продуктов, явлений и эффектов с помощью микроорганизмов. Биотехнология нашла широкое применение в охране природной среды, в частности при решении следующих прикладных вопросов:

1) утилизации твердой фазы сточных вод и твердых бытовых отходов с помощью анаэробного сбраживания;

2) биологической очистки природных и сточных вод от органических и неорганических соединений;

3) микробном восстановлении загрязненных почв, получении микроорганизмов, способных нейтрализовать тяжелые металлы в осадках сточных вод;

4) компостировании;

5) создании биологически активного сорбирующего материала для очистки загрязненного воздуха.

Инженерная защита атмосферного воздуха предусматривает применение на предприятиях сухих пылеуловителей - циклонов, пылеосадительных камер или мокрых пылеуловителей - скрубберов, а также фильтров - тканевых, зернистых или высокоэффективных электрофильтров. Пример "Восстановление нарушенных территорий. Благоустройство и озеленение. экосистема биогеохимический популяция биосфера

Охрана природы - комплекс мер по сохранению, рациональному использованию ресурсов Земли. Оценка проблем экологического состояния природы. Типы загрязнения окружающей среды. Мероприятия по защите окружающей среды. Анализ правовых основ охраны экосистемы.

Охрана природы - это совокупность международных, государственных и локальных (местных) административно - хозяйственных, технологических, политических, юридических и общественных мероприятий, направленных на сохранение, рациональное использование и воспроизводство природы Земли и ближайшего к ней космического пространства в интересах существующих и будущих поколений людей.

Охрана природы в нашей стране является всенародным делом. По охране природы и ее ресурсов относятся органы государственного санитарного надзора, охрана вод, горного надзора, лесоохраны, рыбного надзора, гидрометеослужбы и другие. Главное направление защиты окружающей среды - предотвращение образования вредных веществ путем изменения производства.

Пример-Создание заповедников (любых), мелиорация, водохранилища, постройка очистительных сооружений, дренаж рек

Экосистемой называют совокупность продуцентов, консументов и детритофагов, взаимодействующих друг с другом и с окружающей их средой посредством обмена веществом, энергией и информацией таким образом, что эта единая система сохраняет устойчивость в течение продолжительного времени. Экосистема -- это любое сообщество живых существ вместе с физической средой его обитания функционирующая как единое целое. Пример - Пруд, озеро или луг, как и другие экосистемы, представляют собой равновесные системы, состоящие из разных элементов.

Признаки экосистем:

1) независимость от внешних источников вещества и энергии, но не от солнечного света. Энергия - это способность совершать работу.

2) способность обеспечивать круговорот вещества.

В экосистеме можно выделить два компонента - биотический и абиотический. Биотический делится на автотрофный (организмы, получающие первичную энергию для существования из фото- и хемосинтеза или продуценты) и гетеротрофный (организмы, получающие энергию из процессов окисления органического вещества - консументы и редуценты) компоненты, формирующие трофическую структуру экосистемы.

Важное следствие иерархической организации живых систем состоит в том, что по мере объединения компонентов в более сложные функциональные системы у этих новых систем возникают качественно новые свойства, отсутствовавшие на предыдущем уровне. Такие качественно новые, эмерджентные свойства экологического уровня нельзя прогнозировать, исходя из свойств компонентов, составляющих этот уровень. Вернее, не все свойства более высокого уровня организации можно предсказать из свойств более низкого уровня. Точно так же как нельзя предсказать свойства воды только исходя из свойств водорода и кислорода, нельзя предсказать и свойства экосистемы на основании сведений об отдельных популяциях; изучать необходимо и лес в целом, и отдельные деревья, находящиеся в лесу. Примерами природных экосистем являются озеро, лес, пустыня, тундра, суша, океан, биосфера.

Фотосинтез - это процесс, при котором световая энергия поглощается и используется на синтез восстановленных углеродсодержащих соединений из двуокиси углерода и воды. Его биологическое значение заключается в обеспечении живых организмов Земли органическими веществами, обогащении атмосферы Земли кислородом. Примером в этом отношении могут служить опыты с одноклеточной водорослью хлореллой, у которой удалось повысить содержание аминокислот и жиров за счет снижения содержания углеводов путем добавления в питательную среду NH₄Cl (10^-3 М)

Продуценты (автотрофные организмы или автотрофы) -- организмы, способные синтезировать органические вещества из неорганических. Это, в основном, зелёные растения, однако некоторые виды бактерий - хемотрофов способны на чисто химический синтез органики и без солнечного света. (Водоросли и высшие травянистые растения)

Консументы-- -- организмы, неспособные синтезировать органические вещества из неорганических. Потребляют органические вещества в готовом виде (1-го порядка -- растительноядные, 2-го и больших порядков -- плотоядные и хищники; всеядные животные). Являются вторым, третьим и далее звеньями пищевой цепи.

Если надо создать пищевую цепь леса, то можно написать

Трава (продуцент) - лось (консумент 1 порядка) - волк (консумент 2 порядка)

или

Дерево-гусеница-сойка

Редуценты (также деструкторы, сапротрофы, сапрофиты, сапрофаги) -- микроорганизмы (бактерии и грибы), разрушающие остатки мёртвых растений и животных и превращающие их в неорганические соединения. Пример - бактерии, гниение.

Детритофаги - организмы, питающиеся детритом (например, опавшие листья, трава) -- мертвым или частично разложившимся органическим веществом. Существует множество организмов, которые питаются детритом, например грифы, раки, муравьи. К водным детритофагам относятся линь, бычки, подуст и др., т. е. грунтоеды и отчасти сестонофаги. Сухопутные детритофаги (личинки многих насекомых, дождевые черви и др.) питаются органических веществом почвы. Детритофаги относятся к сапрофагам.

Абиотические факторы - движущие силы совершающихся в природе процессов, происхождением связанные с силами, явлениями и объектами неорганического мира (абиотической средой). К А. ф. относятся климатические, физические, химические и др. факторы. Совокупность А. ф. определяет зональность распространения организмов, влияет на их сезонные ритмы. Действуют А. ф. в едином комплексе с биотическими факторами и антропогенными факторами.

Биотические факторы - это совокупность воздействий жизнедеятельности одних организмов на другие. Для каждого организма все остальные - важные факторы среды обитания, они оказывают на него не меньшее действие, чем неживая природа.

Антропогенные факторы среды, внесённые в природу человеческой деятельностью изменения, воздействующие на органический мир

Лимитирующий фактор - фактор среды, выходящий за пределы выносливости организма. Лимитирующий фактор ограничивает любое проявление жизнедеятельности организма. С помощью лимитирующих факторов регулируется состояние организмов и экосистем.

Закон минимума Ю.Либиха - в экологии - концепция, согласно которой существование и выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей.

Согласно закону минимума жизненные возможности организмов лимитируют те экологические факторы, количество и качество которых близки к необходимому организму или экосистеме минимуму.

Закон максимума - Любая биологическая или биокосная система, находясь в состоянии динамического равновесия с окружающей средой и эволюционно развиваясь, увеличивает свое воздействие на среду, если этому не препятствуют внешние факторы. Пример: если поместить какое-либо растение/животное в экспериментальную камеру и измерять в ней температуру воздуха, то состояние организма будет изменяться.

Закон толерантности Шелфорда -- закон, согласно которому существование вида определяется лимитирующими факторами, находящимися не только в минимуме, но и в максимуме. Толерантность-способность организма переносить неблагоприятное влияние того или иного фактора среды. Закон толерантности расширяет закон минимума Либиха. Пример - Географическое распределение промысловых птиц часто определяется влиянием климата на яйца или птенцов, а не взрослых особей.

Стенобиотные и эврибиотные виды

Стенобионты, животные и растения, способные существовать лишь при относительно постоянных условиях окружающей среды (т. е. выдерживающие лишь небольшие колебания температуры, солёности, влажности, гидростатического или атмосферного давления и т.п.). Для некоторых С. ограничивающим может быть какой-либо один фактор внешней среды (например, характер пищи). Так, некоторые виды южноамериканской колибри питаются нектаром цветков определенного вида растений, и область их распространения ограничивается узким ареалом данного растения. Австралийский сумчатый медведь коала может жить только на тех видах эвкалиптов, листьями которых он питается.

Эврибионты животные и растительные организмы, способные существовать при значительные изменениях условий окружающей среды. Так, например, обитатели морской литорали переносят регулярное осушение во время отлива, летом -- сильное прогревание, а зимой -- охлаждение, а иногда и промерзание (эвритермные животные); обитатели эстуариев рек выдерживают. Колебания солёности воды (эвригалинные животные); ряд животных существует в широком диапазоне гидростатического давления (эврибатные животные). Многие наземные обитатели умеренных широт способны выдерживать большие сезонные колебания температуры (многие бактерии, споры и семена многих растений, взрослые многолетние растения холодных и умеренных широт, зимующие почки пресноводных губок и мшанок, яйца жаброногих ракообразных, взрослые тихоходки и некоторые коловратки и др.) или спячки (некоторые млекопитающие).

Взаимодействие различных экологических факторов заключается в том, что изменения интенсивности одного могут снизить предел выносливости к другому фактору или, наоборот, увеличить его.

климатический фактор

Солнечное излучение. Все процессы в биосфере обеспечиваются излучением Солнца, но солнечная энергия распределяется по поверхности Земли неравномерно, и, кроме того, наблюдаются ее сезонные и суточные колебания, особенно контрастные в умеренных и высоких широтах. Пример - Так, личинки стрекозы в темноте снижают темпы метаболизма и через некоторое время гибнут

Температура является наиболее важным климатическим фактором Закономерность вертикального размещения растительности, почв, животного мира в горных районах обусловлена главным образом также температурным фактором. Например, гусеницы кукурузного мотылька оживали после охлаждения до ?190°С.

В водной среде зародилась жизнь. Обитатели суши и поныне зависимы от воды. Для многих видов животных и растений вода продолжает оставаться средой обитания. Значение воды в процессах жизнедеятельности определяется тем, что она является основной средой в клетке, где осуществляются процессы метаболизма, выступает важнейшим исходным, промежуточным и конечным продуктом биохимических превращений. Значимость воды определяется и ее количественным содержанием. Живые организмы состоят не менее чем на 3/4 из воды. Пример - ряска.

Эдафические (почвенно-грунтовые) абиотические факторы. Важнейшими экологическими факторами, характеризующими почву как среду обитания, являются кислотность, содержание питательных элементов, содержание органических веществ, структура, плотность, засоленность, гранулометрический состав и др. От химического состава почвы зависит, какие растения будут на ней произрастать, так как различные виды растений имеют различные потребности к минеральному питанию.

Главным топографическим фактором является высота над уровнем моря. С высотой снижаются средние температуры, увеличивается суточный перепад температур, возрастают количество осадков, скорость ветра и интенсивность радиации, понижаются атмосферное давление и концентрации газов. Все эти факторы влияют на растения и животных, обуславливая вертикальную зональность. Примером может послужить Уральский хребет, разделяющий Русскую и Западно - Сибирскую равнины.

Среди абиотических факторов особого внимания заслуживает огонь или пожар. В настоящее время экологи пришли к однозначному мнению, что пожар надо рассматривать как один из естественных абиотических факторов наряду с климатическими, эдафическими и другими факторами.

Конкуренция

Конкуренция - это соперничество субъектов рыночных отношений за лучшие условия и результаты коммерческой деятельности (экзамен). Пример - Сорные травы забивают другие растения. Пример - за пищу - Гиена и стервятники; за территорию - медведи трутся о деревья, оставляя метки, пение соловья - сигнал, что территория занята, рыбы - петушки нападают на других рыб, которые оказываются на его территории. За самку - бои оленей, танцы павлинов, постройки птиц - шалашников, вопли котов.

Принцип Гаузе (теорема Гаузе, 1934), принцип конкурентного исключения, гласит, что два вида со сходными экологическими условиями не могут длительное время занимать одну и ту же экологическую нишу Пример - Листья некоторых видов растений вырабатывают вещества, которые поступают в почву и подавляют прорастание и рост соседних растений

Хищничество (биотрофия) - поедание одного организма (жертвы) другим организмом (хищником). Хищники могут поедать травоядных животных, и также слабых хищников. Хищники обладают широким спектром питания, легко переключаются с одной добычи на другую более доступную. В природе поддерживается экологическое равновесие между популяциями жертва-хищник. Пример - рысь - заяц. Пример - клещи, пиявки, блохи.

Паразитизм - один организм (паразит) живёт за счёт питания тканями или соками другого организма (хозяина), тесно связан в своём жизненном цикле. Паразитов различают по месту обитания. Пример - Опята растут только на деревьях - паразитизм

Комменсализм - один вид получает выгоду от другого, который не замечает его присутствия; взаимоотношения между индивидами или группами разных видов, которые существуют без конфликтов и без взаимопомощи. Примером комменсализма могут служить бобовые (например, клевер) и злаки, совместно произрастающие на почвах, бедных доступными соединениями азота, но богатых соединениями калия и фосфора. При этом если злак не подавляет бобовое, то оно в свою очередь обеспечивает его дополнительным количеством доступного азота.

Симбиоз - сожительство двух организмов разных видов, при котором организмы приносят друг другу пользу. Различают мутуализм - форма симбиоза, при которой хотя бы один из видов не способен существовать без помощи другого Пример - Содружество трудолюбивых пчел и цветов - один из примеров симбиоза и протокооперацию - взаимовыгодное, но не обязательное сотрудничество.

Нейтрализм - ни одна популяция не влияет на другую. Пример - рост штаммов стрептококк и лактобактерия (входящих в состав закваски для йогурта)

Аменсализм - Популяция 2 подавляет популяцию 1, но сама не испытывает отрицательного воздействия. Например, сине-зеленые водоросли, вызывая цветение воды, тем самым отравляют водную фауну,

Первый признак функционирования экосистем:

Получение ресурсов и избавление от отходов происходят в рамках круговорота всех элементов.

В этом состоит второй основной принцип функционирования экосистем:

Экосистемы существуют за счет не загрязняющей среду и практически вечной солнечной энергии, количество которой относительно постоянно и избыточно.

Организмы, которые функционируют на поверхности Земли или вблизи нее, получают энергию от солнечного излучения и длинноволновое тепловое излучение - от близлежащих тел.

Энергию определяют, как способность производить работу. Свойства энергии описываются законами термодинамики.

Потенциальная энергия - это энергия, которой обладает тело, поднятое на какую-то высоту над землей.

А кинетической энергией тело обладает при наличии какой-либо скорости, т.е. при движении!

Пример: Мяч бросают с какой-то высоты на землю. В верхней точки он обладает потенциальной энергией, кинетическая равна нулю.

Первый закон (начало) термодинамики или закон сохранения энергии утверждает, что энергия может переходить из одной формы в другую, но она не исчезает и не создается заново.

Второй закон (начало) термодинамики или закон энтропии утверждает, что в замкнутой системе энтропия может только возрастать.

Трофическая цепь (цепь питания)

Перенос энергии пищи от ее источника - продуцента через ряд организмов, происходящий путем поедания одних организмов другими, называется пищевой или трофической цепью. Пример - Особенно длинны трофические цепи в океане, где многие виды (например, тунцы) занимают место консументов 4-го порядка.

Продуктивность первичная (валовая и чистая) и вторичная

Продуктивность экосистем - скорость, с которой продуценты усваивают лучистую энергию в процессе фотосинтеза, хемосинтеза, образуя вещество, которое дальше может быть использовано как пища. Продуктивность бывает первичной и вторичной:

· первичная (продуценты - оценивается как скорость усваивания лучистой энергии Солнца)

· вторичная (консументы и редуценты - скорость усваивания энергии солнца через продуцентов)

Первичная бывает валовая и чистая:

· Валовая продукция - это та продукция, которую создают растения в процессе фотосинтеза.

· Чистая продукция - это та часть энергии, которая осталась после расходов на дыхание. Иными словами, чистая первичная продукция (которую чаще всего и определяют), -- это разность валовой продукции и трат на дыхание.

Трофическая структура сообщества

Трофическая структура микробного сообщества определяется взаимодействиями между функциональными группами микроорганизмов. Это обуславливает функционирование сообщества как целостной системы с путями метаболизма, определяемыми термодинамическими закономерностями. Из имеющегося набора функционально сходных организмов доминируют те кинетические характеристики, которые наиболее соответствуют условиям, складывающимся в сообществе.

Например: Эти цепи называют пастбищными или цепями выедания.

- растения - овцы - человек

Например: Эти цепи называют детритными

- мертвые ткани растений - грибы - многоножки кивсяки - грибы - ногохвостки коллемболы - хищные клещи - хищные многоножки - бактерии.

Пирамида численностей

Пирамиды чисел отражают количество организмов (отдельных особей) на каждом трофическом уровне.

Пусть одного человека в течение года можно прокормить 300 форелями. Для их питания требуется 90 тысяч головастиков лягушек. Чтобы прокормить этих головастиков, необходимы 27 000 000 насекомых, которые потребляют за год 1 000 тонн травы.

Пирамида чисел, биомасс показывает количество живого вещества, или биомассы, на каждом трофическом уровне. В большинстве наземных экосистем биомасса продуцентов, т. е. суммарная масса растений наибольшая, а биомасса организмов каждого последующего трофического уровня меньше предыдущего. Однако в некоторых сообществах биомасса консументов 1-го порядка бывает больше биомассы продуцентов. Например, в океанах, где основными продуцентами являются одноклеточные водоросли с высокой скоростью размножения, их годовая продукция в десятки, и даже сотни раз, может превышать запас биомассы. Вместе с тем, вся образованная водорослями продукция так быстро вовлекается в цепи питания, что накопление биомассы водорослей мало, но вследствие высоких темпов размножения небольшой их запас оказывается достаточным для поддержания скорости воссоздания органического вещества. В связи с этим в океане пирамида биомасс имеет обратное соотношение, т. е. «перевернута». На высших трофических уровнях преобладает тенденция к накоплению биомассы, так как длительность жизни хищников велика, скорость оборота их генераций, наоборот, мала, и в их теле задерживается значительная часть вещества, поступающего по цепям питания.

В соответствии с законом пирамиды энергий Р.Линдемана и правила десяти процентов, с каждой ступени на последующую ступень переходит приблизительно 10 % (от 7 до 17 %) энергии или вещества в энергетическом выражении Заметим, что на каждом последующем уровне при снижении количества энергии ее качество возрастает, т.е. способность совершать работу единицы биомассы животного в соответствующее число раз выше, чем такой же биомассы растений

Строительная роль пищи

В организме человека постоянно происходит распад клеток, на смену которым приходят новые. Строительный материал для клеток человек получает из компонентов пищи: химических веществ, входящих в состав пищевых продуктов. Они служат основными источниками получения биологически активных веществ, необходимых для регулирования процессов жизнедеятельности организма. Под жизнедеятельностью понимается рост и развитие организма, здоровье, работоспособность, долголетие, способность творить и созидать. Расход веществ и энергии, а стало быть, и восполнение их - необходимое условие существования биологических систем, каковыми мы и являемся, и развития жизни в целом. Проще говоря, пока человек движется и мыслит, он затрачивает энергию, а восполняет ее через пищу. Следовательно, пища нужна человеку для того, чтобы поддерживать свое физическое, вслед за ним - и духовное существование.

Если в пище нет какого-либо из этих ингредиентов, то сколько бы энергии (калорий) она не содержала, неизбежно появятся нарушения, вызванные неполноценным питанием.

Исходя из этих общих положений, перечислим еще раз основные требования, предъявляемые к питанию человека:

· питание должно быть сбалансировано по энергии - ее потребление определяется энергозатратами организма, то есть режимом и образом жизни;

· питание должно быть сбалансировано по питательным веществам, в том числе витаминам и микроэлементам;

· питание должно быть сбалансировано постоянно, поскольку организм не может запасать необходимые элементы впрок;

· пища должна проходить минимальную обработку, так как в процессе нее разрушаются и теряются витамины и микроэлементы;

· пища не должна содержать ядов-токсинов, в том числе в виде консервантов, красителей, дезодорантов

Большой геологический круговорот

Солнечная энергия на Земле вызывает два круговорота веществ: большой, или геологический круговорот веществ, наиболее ярко проявляющийся в круговороте воды и циркуляции атмосферы,

Малый биотический круговорот

Малый, биологический круговорот веществ (биотический), развивающийся на основе большого и состоящий в непрерывном, циклическом, но неравномерном во времени и пространстве, и сопровождающийся более или менее значительными потерями закономерного перераспределения вещества, энергии и информации в пределах экологических систем различного уровня организации

Существует закон глобального замыкания биогеохимического круговорота в биосфере, действующий на всех этапах ее развития.

В круговорот воды на Земле ежегодно вовлекается около 500 000 км3 воды. Растения используют водород воды при фотосинтезе в построении органических соединений, выделяя молекулярный кислород.

Своей уникальной атмосферой с высоким содержанием свободного кислорода Земля обязана процессу фотосинтеза. С круговоротом кислорода тесно связано образование озона в высоких слоях атмосферы. Кислород освобождается из молекул воды и является, по сути, побочным продуктом фотосинтетической активности растений.

Углерод как химический элемент является основой жизни. Он может разными способами соединяться со многими другими элементами, образуя простые и сложные органические молекулы, входящие в состав живых клеток. По распространению на планете углерод занимает одиннадцатое место (0,35% веса земной коры), но в живом веществе он в среднем составляет около 18 или 45% сухой биомассы.

В атмосфере и живом веществе содержится менее 2% всего азота на Земле, но именно он поддерживает жизнь на планете. Азот входит в состав важнейших органических молекул -- ДНК, белков, липопротеидов, АТФ, хлорофилла и др. В растительных тканях его соотношение с углеродом составляет в среднем 1:30, а в морских водорослях I:6. Биологический цикл азота поэтому, также тесно связан с углеродным.

Этот элемент, необходимый для синтеза многих органических веществ, включая АТФ, ДНК, РНК, усваивается растениями только в виде ионов ортофосфорной кислоты (Р034+). Он относится к элементам, лимитирующим первичную продукцию и на суше, и особенно в океане, поскольку обменный фонд фосфора в почвах и водах невелик. Круговорот этого элемента в масштабах биосферы незамкнут.

Круговорот серы, необходимой для построения ряда аминокислот, отвечает за трехмерную структуру белков, поддерживается в биосфере широким спектром бактерий. В отдельных звеньях этого цикла участвуют аэробные микроорганизмы, окисляющие серу органических остатков до сульфатов, а также анаэробные редукторы сульфата, восстанавливающие сульфаты до сероводорода. Кроме перечисленных группы серобактерий окисляют сероводород до элементарной серы и далее до сульфатов. Растения усваивают из почвы и воды только ионы SO2-4.

Стратегия развития экосистемы

Развитие экосистемы, состоит в изменении во времени видовой структуры и биоценотических процессов.

Основная причина, позволяющая экосистемам длительное время сохранять постоянный видовой состав, а значит и устойчивость, заключается в том, что популяции, входящие в состав сообщества, находятся в динамическом равновесии.

Таким образом, равновесие экосистемы - это равновесие составляющих ее популяций. Устойчивое увеличение или уменьшение любой популяции приводит к изменению экосистемы в целом.

Динамика популяций

периодическое или непериодическое изменение численности, полового или возрастного состава популяции в результате действия абиотических (не зависящих от численности и плотности самой популяции) и биотических (зависящих от численности и плотности популяции) факторов.
Выделяют три вида популяционных динамик: стабильный (изменение численности популяции в несколько раз); изменчивый (колебания численности в десятки раз); взрывной (периодическое превышение средней численности в сотни и тысячи раз).

Популяция

- это группа организмов одного вида, проживающих в определенном районе (местообитании).

Примерами популяций являются все окуни в пруду, белки в лесах Московской области, население в отдельной стране или население Земли в целом.



Признаки популяций

Наиболее существенными признаками популяций динамика численности особей, соотношение полов, возрастной состав, территориальная структура и плотность заселения

Динамика популяции

Динамика, состояние и воспроизводство популяций согласуются с их возрастной и половой структурой. Возрастная структура отражает скорость обновления популяции и взаимодействие возрастных групп с внешней средой. Она зависит от особенностей жизненного цикла, существенно различающегося у разных видов (например, птиц и у млекопитающих хищников), и внешних условий. Динамика популяций - это процессы изменений ее основных биологических показателей во времени - численности, биомассы, популяционной структуры (возрастного состава). Популяция не может существовать без постоянных изменений, за счет которых она как бы приспосабливается к изменяющимся условиям среды. В ходе эволюции популяции живых организмов обретают различные свойства. Некоторые из них приспособлены к существованию в суровых, но стабильных условиях, например, в пустынях, полупустынях, тундрах. В жизненном цикле особей обычно выделяют три возрастных периода: предрепродуктивный, репродуктивный и пострепродуктивный.

ПРИМЕР. Сильно различаются между собой самцы и самки комаров по темпам роста, срокам полового созревания, устойчивости к изменению температуры. Самцы в стадии имаго не питаются совсем или питаются нектаром, а самкам необходимо напиться крови для полноценного оплодотворения яиц. У некоторых видов мух популяции состоят только из самок.

Структура популяции характеризуется составляющими ее особями и их распределением в пространстве.



Факторы, влияющие на численность популяций

Существуют две теории, объясняющие регуляцию численности:

1. Смертность в популяции обусловлена только воздействием физических (погода, пожар, загрязнение) или биологических факторов (хищники) и затрагивает одну и ту же долю особей в популяции независимо от ее численности. Такие факторы, действие которых не зависит от численности популяции, называются факторами, не зависящими от плотности.

2. Смертность особей в популяции всегда зависит от численности последней. При этом, чем больше численность, тем выше риск гибели. В этом случае на популяцию влияют факторы, зависящие от плотности. При высокой численности популяции начинает ощущаться недостаток ресурсов, ограничивается доступность пищи, возрастает численность врагов, заполняются все доступные места для гнездования и т.д. Зависимая от плотности динамика популяций обеспечивается биотическими факторами. Их называют регулирующими

К числу регулирующих факторов относится, в частности, взаимоотношение организмов типа хищник - жертва. Высокая численность жертвы создает условия (пищевые) для размножения хищника. Последний, в свою очередь, увеличив численность, снижает количество жертв. Численность обоих видов в результате этого носит синхронно-колебательный характер

Основные типы кривых выживаемости популяций

Кривая I типа (типа дрозофилы) имеет выпуклую форму. Она описывает ситуацию, когда высокая смертность наблюдается в зрелом возрасте. Это характерно для дрозофил, поденок и других насекомых, которые вскоре после выхода из куколки оставляют потомство и погибают. К кривой I типа приближаются кривые выживания крупных млекопитающих.

Кривая II типа (типа гидры) характерна для организмов с равномерной смертностью в любом возрасте. На графике этому соответствует прямая линия. Такие типы кривых характерны для рыб, пресмыкающихся, птиц, травянистых многолетних растений и т.д., с единственной оговоркой, что отсчет ведется от организмов, уже прошедших наиболее уязвимые стадии своего развития.

Кривая III типа (типа устрицы) имеет вогнутую форму. Она характерна для организмов, которые в основном гибнут на начальных этапах своей жизни. Устрицы ведут прикрепленный образ жизни во взрослом состоянии, а личинка у них планктонная. Именно в этот период они наиболее уязвимы. У особей, удачно прошедших личиночную стадию, шанс выжить сильно повышается. Такой тип кривых выживания характерен для многих животных с высокой плодовитостью и отсутствием заботы о потомстве.

Модели динамики популяций в природе



Математическую модель динамики популяции, когда J-образная кривая преобразуется в S-образную кривую можно наблюдать лишь в лабораторных условиях.

В природе, однако, мы встречаемся с тремя основными типами кривых роста численности популяций: относительно стабильного, скачкообразного и циклического.

Виды, чья численность находится из года в год на уровне емкости окружающей среды, имеют относительно стабильные популяции.

Принцип стабильности экосистем

Динамическое равновесие популяций в экосистеме не возникает автоматически, а устанавливается на протяжении многих тысяч и даже миллионов лет. За это время виды адаптируются друг к другу и к среде своего обитания, так что естественные враги, поэтому сами останутся без источника существования. Они лишь ограничивают рост популяции при повышении ее плотности. Аналогичным образом у видов есть определенная устойчивость к естественным паразитам и болезнетворным агентам, которые не приводят к полному вымиранию популяции, но также регулируют ее плотность.

Такое взаимоприспособление крайне важно для равновесия популяций, а, следовательно, и экосистем в целом. Популяции, развивающиеся в изоляции друг от друга, как правило, не могут существовать в равновесии

типа изменений условий окружающей среды: медленное, постепенное, не приводящее к нарушению равновесия в экосистеме, и стрессовое, вызывающее нарушение равновесия вплоть до разрушения и уничтожения экосистемы.

Естественный отбор и эволюция. Популяции многих видов приспосабливаются к изменению условий окружающей среды путем изменения своего генетического состава. У разных особей одного вида гены неидентичны. Эти генетические разнообразия помогают приспособиться и сохраниться многим видам.

Изменение экосистемы при стрессовых воздействиях

Изменения в сообществах могут быть циклическими и поступательными.

Циклические изменения - периодические изменения в биоценозе (суточные, сезонные, многолетние), при которых биоценоз возвращается к исходному состоянию

Поступательные изменения -- изменения в биоценозе, в конечном счете, приводящие к смене этого сообщества другим, с иным набором господствующих видов.

Основная причина, позволяющая экосистемам длительное время сохранять постоянный видовой состав, а значит и устойчивость, заключается в том, что популяции, входящие в состав сообщества, находятся в динамическом равновесии.

Свойства живого вешества.

Живое вещество по составу есть вся совокупность живых организмов, обитающих в биосфере. Живое вещество имеет биомассу, обладает продуктивностью и имеет особенные по сравнению с косным веществом свойства. Эти свойства обеспечивают важнейшие функции живого вещества.

Видообразование. Сейчас на Земле существуют около 5 млн. видов живых организмов, около 1,5 млн. из них известны ученым и описаны.

Виды возникли в результате взаимодействия на протяжении миллиардов лет двух процессов. Один из них - образование видов. При изменении условий окружающей среды в результате внутреннего отбора возникают новые виды, хорошо приспособленные к этим условиям. Другой процесс - вымирание.

В изменившихся условиях природной среды многие виды, не сумевшие генетически к ним адаптироваться и нормально размножаться, перестают существовать

Пример - Известны многие случаи видообразования посредством гибридизации у таких растений, как конопля, крапива, первоцвет, редька, капуста

Экологическая сукценсия.

Экологическая сукцессия - это восстановление экосистемой нарушенного равновесия, она проходит через четко определенные стадии.

Классическим примером сукцессии с образованием устойчивого биоценоза является зарастание озера и возникновение на его месте торфяного болота или формирование елового леса на брошенных землях. Еловый лес в своем развитии проходит несколько этапов. Первыми на заброшенной пашне из древесных пород появляются береза, осина и ольха, поскольку семена этих деревьев легко переносятся ветром. Попав на слабо задернованную почву, они прорастают. Наиболее стойкие из них заселяют заброшенную или распаханную территорию, утверждаются там и постепенно изменяют среду, создавая новые условия, к которым сами со временем оказываются неприспособленными. Устойчивый еловый лес на заброшенной пашне образуется примерно через 80-120 лет после первых всходов березы.

Сукцессии делится на две категории.

Сукцессии со сменой растительности могут быть первичными; они начинаются на лишенных жизни местах, и вторичными -- восстановительными

В настоящее время практически вся доступная жизни поверхность суши занята различными сообществами и поэтому возникновение свободных от живых существ участков имеет локальный характер. (на скалах, обрывах, сыпучих песках, в новых водоемах и т.п.).

Вторичная сукцессия, относятся как многолетние, например климатогенные, так и катастрофические - результата стихийных природных явлений (в результате вырубки, пожара, вспашки, извержения вулкана и т.п.

По существу эти две стратегии представляют два различных решения одной задачи - задачи длительного выживания вида.

Стратегии выживания видов

Стратегия выживания человечества - это стремление человека к выживанию. Основные типы стратегий выживания, направленных на повышение вероятности: выжить и оставить после себя потомство.

Существующие проблемы имеют множество решений Главная задача - провести перелом взглядов. Поставить эти вопросы на первый план, отодвинув обогащения, власть и др. на второй план. И только вместе, используя общий разум, общую волю, достижения науки и техники, у нас появится шанс решить проблему выживания человека на планете Земля.

Человек и биосфера

Структурно Биосфера представляет собой совокупность функционально связанных и иерархически соподчиненных единиц - экосистем. В связи с этим одно из наиболее катастрофичных последствий деятельности человека связано с разрушением структуры экосистем и, следовательно, с разрушением структуры биосферы в целом как системной целостности. Очевидно, что система с нарушенной структурой уже не может выполнять своих прежних функций, поэтому, как правило, разрушение внутренней структуры экосистемы ведет к ее исчезновению с поверхности Земли. Установлено, что если разрушение затрагивает три и более уровней иерархии экосистем, то начинается сначала замедленный, а потом все более ускоряющийся процесс опустынивания - искажаются процессы образования почв, меняется химия среды, исчезают многие виды организмов.

Разрушение экосистем сопровождается исчезновением видов. Проблема исчезновения видов состоит не просто в том, что их невозможно восстановить, но и в том, что их место займут другие. Вопрос в том, какие. Не случайно существуют организмы разного размера, неодинаковой суточной активности и т. п. Полностью безлесная Земля, населенная мелкими животными, будет совсем иной, чем сейчас. Изменятся круговороты всех веществ, газовый состав атмосферы, качество и количество воды в реках, другие условия жизни. Они могут оказаться совершенно не пригодными для существования человека. Он исчезнет как биологический вид. Таким образом, существуют определенные закономерности замены экосистем в биосфере и видов в экосистеме. Их можно сформулировать следующим образом:

1) «свято место пусто не бывает»;

2) крупные организмы исчезают раньше, их сменяют мелкие;

3) более эволюционно высокоорганизованные виды вытесняются низкоорганизованными, быстрее размножающимися существами;

4) всегда побеждают те, кто быстрее и легче изменяется, в том числе генетически.

Закон системного сепаратизма Разнокачественные составляющие системы всегда структурно независимы.

Применение к системе образования: Организм состоит из разных органов; так и в системе народного образования - она складывается из школ городских и сельских, из вузов государственных и частных, а также вузов образованных на двусторонней межгосударственной основе. Утверждает, что разнокачественные составляющие всегда структурно относительно независимы. Разрушение структуры экосистемы вследствие деятельности человека сопровождается стиранием функциональных границ между экосистемами, что ведет к их нарушению.

Закон развития природной системы за счет окружающей ее среды: любая природная система может развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей ее среды. Если раньше было достаточно сохранения лишь особо «важных» территорий, то теперь необходимо ставить вопрос о том, чтобы преобразуемые пространства занимали лишь сравнительно небольшие площади.

Биосфера как глобальная экосистема

1. Понятие «экосистема»

Экосистема - система, состоящая из сообщества живых организмов (биоценоз), среды их обитания (биотоп), системы связей, осуществляющей обмен веществом и энергией между ними

3. Компоненты экосистемы

В экосистеме можно выделить два компонента - биотический и абиотический. Биотический делится на автотрофный (организмы, получающие первичную энергию для существования из фото- и хемосинтеза или продуценты) и гетеротрофный (организмы, получающие энергию из процессов окисления органического вещества - консументы и редуценты) компоненты, формирующие трофическую структуру экосистемы.

Общая характеристика биосфера

На высшей ступени иерархии биосистем находится глобальная экосистема -биосфера - совокупность всех живых организмов и их экологической среды в пределах планеты.

Термин «биосфера» впервые применил австрийский геолог Э. Зюсс (1873),

Эволюция биосферы

История возникновения и эволюции биосферы - это, по сути, история развития органического мира на Земле. С возникновением живых существ началось изменение ими окружающей среды. Появление зеленых растений привело к уменьшению количества углекислого газа в атмосфере и обогащению ее кислородом. Это было началом формирования биосферы. Развитие биосферы шло вместе с эволюцией органического мира - расширялись ее границы, ускорялась биогенная миграция атомов, изменялся состав ее компонентов.

Эволюция живого вещества выражается в изменении и усложнении организации живых форм, уменьшении их прямой зависимости от среды обитания, в усовершенствовании способов ориентации и передвижения в пространстве и т.д.



Воздействия человека на биосферу и их глобальные последствия

Влияние деятельности человека на природные сообщества чрезвычайно разнообразно и прослеживается на всех уровнях биосферы. Кризисное ее состояние в первую очередь связано с такими формами антропогенного воздействия, как прямое истребление ряда видов живых организмов, а также загрязнение биосферы промышленными и бытовыми отходами, пестицидами и т. п.

Но наряду с прямыми влияниями человечество всеми формами своей деятельности неизбежно и неустранимо вносит косвенные изменения в состав и условия существования природных сообществ. Развитие транспорта и связи, грандиозные масштабы гидростроительства и мелиорации, изменение ландшафтов в связи с созданием городов и введением индустриальных методов сельского хозяйства -- все это независимо от желания человека коренным образом изменяет условия существования окружающих его экосистем и отдельных видов. Реакция живого населения планеты на эти изменения в принципе основывается на тех же механизмах организменного, популяционного и биоценотического уровней, которые были рассмотрены в этой книге. Знание этих механизмов необходимо для прогнозирования последующих событии, устранения нежелательных эффектов антропогенного воздействия и направленного формирования устойчивых и продуктивных сообществ культурных ландшафтов.

Нарушение законов функционирования природных экосистем деятельности человека.

1.Разрушение структуры экосистемы вследствие деятельности человека сопровождается стиранием функциональных границ между экосистемами.

Это ведет к нарушению закона системного сепаратизма. Мир разделен на системные разности, и они стремятся к самостоятельности - сепаратизму.

Закон системного сепаратизма утверждает, что разнокачественные составляющие всегда структурно относительно независимы. Сепаратизм очень ограничен - все системы тесно взаимосвязаны, имеют общую судьбу в пределах надсистемы, но все же относительно самостоятельны!

2.Как было рассмотрено выше, структурно биосфера представляет собой совокупность функционально связанных и иерархически соподчиненных отдельностей - экосистем. Такой взгляд на биосферу вытекает из принципа системной целостности - основного принципа современного научного знания. Именно потому, что отдельные составляющие - экосистемы - функциональны, а не хаотично структурны, возникает системная целостность. В связи с этим одно из наиболее катастрофичных последствий деятельности человека связано с разрушением структуры экосистем и, следовательно, с разрушением структуры биосферы в целом как системной целостности

Последствия антропогенного воздействия на биосферу

Человек всегда использовал окружающую среду в основном как источник ресурсов, однако в течение очень длительного времени его деятельность не оказывала заметного влияния на биосферу. Лишь в конце прошлого столетия изменения биосферы под влиянием хозяйственной деятельности обратили на себя внимание ученых. В первой половине нынешнего века эти изменения нарастали и в настоящее время лавиной обрушились на человеческую цивилизацию. Стремясь к улучшению условий своей жизни, человек постоянно наращивает темпы материального производства, не задумываясь о последствиях. При таком подходе большая часть взятых от природы ресурсов возвращается ей в виде отходов, часто ядовитых или непригодных для утилизации. Это создает угрозу и существованию биосферы, и самого человека.

Наиболее катастрофичных последствий деятельности человека связано с разрушением структуры экосистем и, следовательно, с разрушением структуры биосферы в целом как системной целостности. Очевидно, что система с нарушенной структурой уже не может выполнять своих прежних функций, поэтому, как правило, разрушение внутренней структуры экосистемы ведет к ее исчезновению с поверхности Земли. Установлено, что если разрушение затрагивает три и более уровней иерархии экосистем, то начинается сначала замедленный, а потом все более ускоряющийся процесс опустынивания - искажаются процессы образования почв, меняется химия среды, исчезают многие виды организмов. И физиономически - по внешнему виду, и функционально - по производимой в биосфере работе - на месте одной экосистемы возникает нечто новое: вместо лесного ландшафта - сначала лесолуговой и лесополевой, а затем вместо густых в прошлом лесов - абсолютно безлесные пространства.

Адаптация организма человека к изменяющимся условиям окружающей среды

Человек, для того чтобы выжить во все более быстро изменяющихся условиях окружающей его среды, должен уметь приспосабливаться к этим изменениям. Природа наделила его такими возможностями.

Все представители вида Homo sapiens способны проявлять необходимую пластичность реакций в ответ на изменение внешней среды - приспособляемость. Приспособляемость выработалась в ходе эволюции.

Процессы и явления активного приспособления человека к окружающей среде, жизнедеятельности, а также обусловленные ими изменения в организме называют адаптацией.

Физиологическая адаптация - это устойчивый уровень активности и взаимосвязи функциональных систем, органов и тканей, а также механизмов управления. Он обеспечивает нормальную жизнедеятельность организма и трудовую активность человека в новых условиях существования, способность к воспроизведению здорового потомства.

Понятие адаптации

Адаптация - особая форма отражения системами внешней и внутренней среды, заключающейся в тенденции к установлению с ними динамического равновесия (философский словарь, 1999г.)

1.Адаптация - это динамический процесс, благодаря которому подвижные системы живых организмов, несмотря на изменчивость условий, поддерживают устойчивость, необходимую для существования, развития и продолжения рода. Именно механизм адаптации, выработанный в результате длительной эволюции, обеспечивает возможность существования организма в постоянно меняющихся условиях среды.

2.В самом общем виде адаптация (лат. adapto-приспособляю) - процесс приспособления работника к условиям внешней и внутренней среды. Термин "адаптация" чрезвычайно широк и применяется в различных областях науки.