Основы общей экологии
Характеристика проблем взаимодействия человека и окружающей природной среды. Анализ среды и условий существования организмов. Изучение строения биосферы и места человека в ней. Анализ экологических принципов рационального использования природных ресурсов.
| Рубрика | Экология и охрана природы |
| Вид | курс лекций |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 02.02.2017 |
| Размер файла | 113,3 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
1. Введение в экологию
1.1 Предмет, содержание и задачи дисциплины
Экология - научная дисциплина, изучающая взаимоотношения живых организмов между собой и со средой обитания, а также связи в надорганизменных системах и функционирование этих систем.
Как самостоятельная наука экология сформировалась в середине прошлого столетия. Термин экология ввел немецкий зоолог Э.Геккель в 1866 г и происходит от греч. oikos, что обозначает „жилище“, „местопребывание“, „убежище“. По Геккелю экология представляет собой науку о „домашнем быте“ живых организмов и призвана исследовать „все те запутанные взаимоотношения, которые Дарвин условно обозначил как борьбу за существование “.
Экология - биологическая наука, изучающая взаимоотношения живых организмов с органической и неорганической средами.
Со времен Геккеля представление об экологии претерпело ряд уточнений, конкретизаций, изменений, однако до сих пор нет достаточно четкого и строгого определения её. До сих пор идут споры о том, что такое экология, нужно ли её рассматривать как единую науку или же выделить экологию животных и экологию растений в самостоятельные дисциплины.
Наиболее современной трактовкой сути экологии является следующая: „Экология - наука, исследующая закономерности жизнедеятельности организмов (в любых ее проявлениях, на всех уровнях интеграции) в их естественной среде обитания с учетом изменений, внесенных в среду деятельностью человека“.
Таким образом, все исследования, изучающие жизнь животных и растений в естественных условиях с целью выявления законов объединения их в биологические системы, а также устанавливающие роль отдельных видов организмов в жизни биосферы, относятся к экологическим.
Основным содержанием современной экологии является исследование взаимоотношений организмов друг с другом и со средой обитания на популяционно-биоценотическом уровне и изучение жизни биологических макросистем более высокого ранга: биогеоценозов (экосистем) и биосферы, их продуктивности и энергетики.
Предметом исследования экологии являются биологические макросистемы (популяции, биоценозы, биогеоценозы) и их динамика во времени и пространстве.
Теоретическая и практическая задачи экологии заключаются во вскрытии законов наиболее экономичного и полного использования жизненных ресурсов биосферы и разработка эффективных способов управления ими в условиях неизбежной индустриализации и урбанизации нашей планеты.
Экология, являясь единой биологической наукой, структурно подразделяется на аутэкологию (экологию особей), демэкологию (экологию популяций), эйдэкологию (экологию видов) и синэкологию (экологию сообществ).
Задачей аутэкологии (от греч. autos - сам) является установление пределов существования особи (организма) и тех пределов физических и химических факторов, которые организм выбирает из всего диапазона их значений, в том числе и во внешней среде. Аутэкология изучает биохимические реакции, интенсивность газо- и водообмена и другие физиологические процессы, определяющие состояние организма. Большое внимание уделяется аутэкологией влиянию на организм загрязненности среды, обусловленной индустриальной деятельностью человека.
Демэкология (от греч. demos - народ) изучает естественные группировки особей одного вида т.е. популяции - элементарные надорганизменные экосистемы. Важнейшей задачей демэкологии является выявление условий, при которых формируются и развиваются популяции.
Эйдэкология (от греч. eidos - образ, вид) или экология видов изучает следующую за популяцией интеграционную группу организмов - вид с выявлением условий его формирования и развития. Эйдэкология в настоящее время наименее разработана, так как до сих пор уделялось внимание в основном отдельным организмам и их интеграции в экосистемах и биосфере.
Синэкология (от греч. syn - вместе) или экология сообществ (биоценология), изучает совокупность разных видов растений, животных и микроорганизмов, образующих биоценозы.
На базе этих направлений формируются новые: глобальная экология, разрабатывающая проблемы взаимоотношений природы и биосферы в целом и социология, изучающая проблемы взаимоотношений природы и общества.
Рассмотренные выше направления составляют биоэкологию, фундаментальные идеи которой лежат в основе всех современных направлений экологии - экологии человека, инженерной экологии, глобальной экологии и др.
В настоящем курсе основное внимание будет уделено аспектам экологии человека, инженерной экологии и глобальной экологии.
1.2 Общая характеристика проблем взаимодействия человека и окружающей природной среды
Жизнь на Земле возникла примерно 3,5 - 4 млрд лет назад, сначала в водной среде, затем в наземной. Почти сразу же образовалась биосфера - область распространения живого вещества на Земле. В пределах биосферы существуют 4 среды жизни: вода, воздух, почва, живые организмы. Нижняя граница биосферы - изотерма 100оС (от 1,5 до 15 км вглубь Земли и океана); верхняя граница примерно 6,2 км из-за низкого давления СО2 и отсутствия жидкой воды.
Одновременно функционирующая масса живого вещества в масштабах планеты невелика примерно 1,7·10-5 % массы Земли, что составляет примерно 0,01% массы биосферы. Несмотря на это, по подсчетам В.И. Вернадского, за всю историю жизни все наружные слои Земли переработаны организмами на 99%. Биомасса организмов Земли составляет примерно 2,4·1015 кг. (масса Земли = 6·1024 кг.). Человек в процессе жизнедеятельности потребляет как первичную биопродукцию (растительность), так и вторичную (животная пища), причем не только для пищевых целей, но и для технических (энергия, производственное сырьё и др.).
Этот процесс всё в большей степени влияет на естественный круговорот биологически важных веществ. Для существования биосферы эти вещества (вода, воздух, углерод, фосфор, азот, калий и др.) должны вновь переходить в усвояемую для других организмов форму.
Факторы, обусловливающие воздействия на биосферу жизнедеятельности человечества принято называть антропическими.
В результате жизнедеятельности человека изменяются природные ландшафты (вырубка леса, орошение, водохранилища и т.п.) и истребляются ценные виды животных (рыболовство, охота). Так подсчитано, что, начиная с 1600 г, человеком уничтожено 162 вида птиц (381 на грани исчезновения) и примерно 100 видов млекопитающих (255 на грани вымирания).
Особенно остро сейчас стоит проблема загрязнения среды промышленными и бытовыми отходами, которые являются опасными для живых организмов, биологического щита Земли (озона), а также могут изменить климат в отдельных регионах и на всей планете в целом с далеко идущими негативными последствиями.
Примеры:
Проблемы современной экологии.
Пока население Земли и его влияние на биосферу не возросли до современного уровня, круговорот веществ поддерживал стабильное состояние биоценозов. Сейчас же над региональной и глобальной стабильностью нависла угроза.
Стратегической задачей современной экологии является развитие теории взаимодействия природы и общества.
Прикладные задачи экологии:
неистощающее природопользование;
сбалансированное промышленное и сельскохозяйственное производство;
выработка социально-экономических механизмов решения экологических проблем;
разработка организационно-правовых аспектов управления природопользованием;
совершенствование методов социально-экологического прогнозирования.
2. Основы общей экологии
2.1 Среда и условия существования организмов
Среда - всё, что окружает организм и прямо или косвенно влияет на его жизнедеятельность, развитие, рост, выживаемость, размножение и т.д.
Среда каждого организма слагается из множеств неорганической и органической природы и элементов, привносимых человеком и его производственной деятельностью. При этом одни элементы необходимы организму, другие безразличны для него, третьи оказывают вредное воздействие.
Условия существования, или условия жизни - совокупность необходимых организму элементов среды, с которыми он находится в неразрывном единстве и без которых существовать не может.
Элементы среды как необходимые организму, так и отрицательно на него воздействующие, называются экологическими факторами.
Экологические факторы принято делить на три основные группы: абиотические, биотические и антропические.
Абиотические факторы - комплекс условий неорганической и органической среды, влияющих на организм. Абиотические факторы подразделяются на химические (химический состав воздуха, океана, почвы и др.) и физические (температура, давление, ветер, влажность, свет, радиационный режим и др.).
Биотические факторы - совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на другие. Они весьма разнообразны. Так, например, живые существа служат пищей (растения - для животных, животные - для хищников) и средой обитания (хозяин - для паразита, крупные растения - для эпифитов) для других организмов, способствуют размножению последних (опыление растений, распространение семян), оказывают химические, физические и другие воздействия.
Антропические факторы - совокупность воздействий деятельности человека на органический мир. Уже фактом своего существования человек оказывает влияние на среду (за счет дыхания ежегодно в атмосферу поступает примерно 1,1·1012 кг СО2 и др.) и неизмеримо большее производственной деятельностью во всё возрастающей степени.
Влияние на организм абиотических факторов может быть прямым и косвенным (опосредованным). Так, например, температура среды определяет скорость физиологических процессов в организме и, соответственно, его развитие (прямое влияние); в то же время, влияя на развитие растений, являющихся кормом для животных, она оказывает на последних косвенное воздействие.
Эффект действия экологических факторов зависит не только от их характера, но и от дозы, воспринимаемой организмом (высокая или низкая температура, яркий свет или темнота и др.). У всех организмов в процессе эволюции выработались приспособления к восприятию факторов в определенных количественных пределах. Причем, для каждого организма существует свой набор факторов, наиболее для него благоприятный.
Чем больше доза факторов отклоняется от оптимальной для данного вида величины (увеличение или уменьшение), тем сильнее угнетается его жизнедеятельность. Границы, за которыми существование организма невозможно, называются нижним и верхним пределами выносливости (толерантности).
Интенсивность экологического фактора, наиболее благоприятная для организма (его жизнедеятельности), называется оптимумом, а дающая наихудший эффект - пессимумом.
Организмы могут приспосабливаться во времени к изменению факторов. Свойство видов адаптироваться к изменению диапазонов экологических факторов называется экологической пластичностью (экологической валентностью). Чем шире диапазон колебаний экологического фактора, в пределах которого данный вид может существовать, тем больше его экологическая пластичность, тем шире диапазон его толерантности (выносливости).
Экологически непластичные (маловыносливые) виды называются стенобионтными (от греч. stenos - узкий), более пластичные (выносливые) - эврибионтными (от греч. eurys - широкий). Виды, длительное время развивавшиеся в относительно стабильных условиях, утрачивают экологическую пластичность и приобретают черты стенобионтности; виды, существовавшие в условиях значительного изменения факторов среды, становятся эврибионтными.
Отношение организмов к колебаниям того или иного фактора среды выражается прибавлением приставок стено- и эври- (стено- и эвритермные, стено- и эврифотные и т.п.).
Исторически приспосабливаясь к абиотическим фактором среды и вступая в биотические связи друг с другом, растения, животные и микроорганизмы распределяются по различным средам и формируют многообразные биогеоценозы, в конечном итоге объединяющиеся в биосферу Земли.
Биогеоценоз - территориально (пространственно) обособленная целостная элементарная единица биосферы, все компоненты которой тесно связаны друг с другом.
Все экологические факторы действуют на организм одновременно и во взаимодействии. Такая совокупность их называется констелляцией. Поэтому оптимум и границы выносливости организма по отношению к какому-то одному фактору зависят от других. Причем, если интенсивность хотя бы одного фактора выходит за пределы выносливости вида, то существование последнего становится невозможным, как бы ни были благоприятны остальные условия. Такой фактор называется ограничивающим. Особым случаем принципа ограничивающих факторов является правило минимума, сформулированное Либихом (немецкий химик) для характеристики урожайности сельскохозяйственных культур: вещество, находящееся в минимуме (в почве, в воздухе), управляет урожаем и определяет величину и устойчивость последнего.
2.2 Важнейшие абиотические факторы и адаптация к ним организмов
2.2.1 Свет
Свет является одним из важнейших экологических факторов, особенно для фотосинтезирующих зеленых растений. Основным источником света для Земли является Солнце, излучающее огромное количество энергии, в том числе электромагнитной. Приближённый состав последней по длине волны (, нм) следующий: 48% - инфракрасная ( = 1·106 - 760); 50% - видимая ( = 760 - 360); 2% - ультрафиолетовая ( = 360 - 10) и ионизирующая ( < 10).
Ультрафиолетовое излучение с < 200 нм губительно для жизни, с = 250 - 360 нм - стимулирует у животных образование витамина D, а с = 200 - 300 нм губительно для микроорганизмов.
Электромагнитное излучение с = 380 - 400 нм обладает высокой фотосинтетической активностью.
Инфракрасное излучение воспринимается всеми организмами как тепло.
Особое значение в жизни всех организмов имеет видимый свет, за счет которого образуется хлорофилл и осуществляется важнейший в жизни биосферы процесс фотосинтеза (образование органических веществ из неорганических с использованием солнечной энергии). Фотосинтез обеспечивает планету органическими веществами и аккумулированной в них солнечной энергией.
В общем балансе энергии Земли солнечная составляет 99,9%. Если принять солнечную энергию, достигающую Земли, за 100%, то 19% её поглощается атмосферой, 34% отражается в космос и 47% достигает земной поверхности в виде прямой и рассеянной электромагнитной энергии. Прямая электромагнитная энергия представляет собой спектр излучения с от 0,1 до 30000 нм. Ультрафиолетовая часть этого спектра составляет 1 - 5%, видимая 16 - 45%, инфракрасная 49 - 84%. Количество рассеянной электромагнитной энергии возрастает с уменьшением высоты стояния Солнца над горизонтом и увеличением мутности атмосферы. Спектральный состав электромагнитного излучения безоблачного неба характеризуется максимальной энергией с = 400 - 480 нм.
Из спектра ультрафиолетового излучения до поверхности Земли доходит только длинноволновая часть с = 290 - 380 нм, а его коротковолновая составляющая, губительная для всего живого, практически полностью поглощается озоном стратосферы на высоте 20 - 25 км. Длинноволновая часть спектра ультрафиолетового излучения обладает большой энергией фотонов, что обусловливает его высокую фотохимическую активность. Большие дозы этого излучения вредны для организмов, а небольшие необходимы многим из них. В диапазоне = 250 - 300 нм ультрафиолетовое излучение обладает мощным бактерицидным действием, способствует образованию у животных антирахитичного витамина D, а при = 200 - 380 нм инициирует „загар“ кожного покрова человека, что является защитной реакцией организма. Инфракрасное электромагнитное излучение с > 750 нм оказывает тепловое воздействие на организмы.
С областью видимой электромагнитной энергии, воспринимаемой глазом человека, практически совпадает физиологически активная электромагнитная энергия ( = 300 - 800 нм), в пределах которой находится фотосинтетически активный диапазон = 380 - 710 нм. Область физиологически активной электромагнитной энергии принято делить на ряд зон: ультрафиолетовую (УФ) - < 400 нм; сине-фиолетовуую (С-Ф) - = 400 - 500 нм; жёлто-зелёную (Ж-З) - = 500 - 600 нм; оранжево-красную (О-К) - = 600 - 700 нм и дальнюю красную (ДК) - > 700 нм.
Из всего потока фотосинтетически активной электромагнитной энергии, достигающей земной поверхности, около 0,2% кумулируется растениями, благодаря уникальной реакции фотосинтеза по схеме
CO2 + H2O + солн. энерг. хлорофилл CH2O + O2
Скорость фотосинтеза зависит от вида растения, интенсивности света, температуры, концентрации СО2 и других факторов. Например, в средней полосе России у большинства сельскохозяйственных (сх) растений скорость фотосинтеза достигает 20 мг СО2 на 1 дм2 листовой поверхности в час.
Фотосинтез практически не происходит в желто-зелёной части спектра видимого излучения.
В целом свет влияет на: скорость роста и развития растений; интенсивность фотосинтеза; активность животных; изменение влажности и температуры среды; суточные и сезонные биоциклы, обусловленные вращением Земли вокруг своей оси и движением вокруг Солнца.
На жизнедеятельность организмов влияет также световой режим - совокупность освещенности (лк, Вт/м2), количества света (суммарное количество электромагнитной энергии) и качества света (спектральный состав). Световой режим зависит от широты местности, рельефа, мутности атмосферы, подстилающей поверхности, облачности и других факторов.
По отношению к свету различают следующие экологические группы растений: световые (светолюбы), тенелюбивые (тенелюбы), теневыносливые.
Световые виды (гелиофиты) обитают на открытых местах с хорошей освещенностью и образуют разреженный и невысокий растительный покров (например, подсолнечник).
Теневые виды (сциофиты) растут под пологом леса в постоянной тени (например, лесные травы).
Теневыносливые виды (факультативные гелиофиты)могут расти как при хорошем освещении, так и в условиях затенения (большинство растений лесов).
Изменение специфичности светового режима в первых двух группах ведет к угнетению их жизнедеятельности вплоть до гибели.
Свет является важнейшим средством ориентации животных. У животных ориентация на свет осуществляется в результате фототаксисов: положительного (перемещение в сторону большей освещенности) и отрицательного (перемещение в сторону меньшей освещенности).
Среди животных различают ночные и сумеречные виды, а также живущих в постоянной темноте. Последние не выносят солнечного света (почвенные, пещерные, глубоководные, внутренние паразиты животных и растений). Начиная с кишечно-полостных видов, у животных развиваются светочувствительные органы - глаза.
Световой режим оказывает влияние на географическое распространение животных.
Определенную роль в жизнедеятельности животных имеет биолюминесценция - способность организмов светиться. Происходит это в результате окисления органических веществ - люциферинов в ответ на раздражения, поступающие из окружающей среды. Биолюминесценция имеет сигнальное значение в жизни животных, например, для привлечения особей противоположного пола в ночное и сумеречное время у жуков - светляков.
Таким образом, растениям свет необходим в основном для фотосинтеза, а животным в основном для получения информации об окружающей их среде.
2.2.2 Теплота (температура)
Теплота - совокупность различных видов внутренней энергии вещества (энергия колебательного движения атомов и молекул, энергия межатомных и межмолекулярных связей и др., за исключением внутриатомной и ядерной энергии).
Температура - параметр, отражающий среднюю кинетическую скорость колебательного движения атомов и молекул в веществе.
От температуры окружающей среды зависит температура организмов, а также скорость химических реакций, составляющих обмен веществ. Поэтому границы существования жизни - это температуры, при которых возможно образование и нормальное функционирование белков (в среднем от 0 до +50оС). Однако некоторые организмы, обладая специализированными ферментными системами, могут существовать при температуре тела, выходящей за указанные пределы.
Виды организмов, предпочитающие холод образуют экологическую группу криофилов. Они могут сохранять активность при температуре клеток до (-8) - (-10оС), когда жидкая фаза их тела находится в переохлажденном состоянии (бактерии, грибы, мхи, лишайники и др., обитающие в Арктике, высокогорьях и т.п. местах).
Виды организмов, приспособившиеся к существованию в условиях высоких температур, относятся к группе термофилов. Они могут активно существовать при температуре среды до 90 - 98оС (личинки насекомых, организмы, живущие на поверхности почвы и в разлагающихся органических остатках, а также ряд микроорганизмов).
Температурные границы существования жизни для многих видов расширяются в их латентном состоянии (скрытый период жизни). Так, споры некоторых бактерий в течение нескольких минут выдерживают нагревание до +180оС, а обезвоженные семена, пыльца и споры некоторых растений выдерживали температуру (-271,16оС) с последующим возвращением к жизни. В этом случае все молекулы находятся в состоянии практически полного покоя и никакие биохимические реакции невозможны. Такое состояние организма (приостановка всех жизненных процессов) называется анабиоз. Из него к нормальной жизнедеятельности организм может возвратиться только при отсутствии нарушений структуры макромолекул в его клетках.
Нестабильность температуры окружающей среды создает существенную экологическую проблему. Так, понижение температуры вызывает опасность такого замедления обмена веществ, при котором невозможно проявление основных жизнедеятельных функций, а повышение температуры может нарушить нормальную жизнедеятельность организма задолго до теплового разрушения ферментов и белков из-за резкого возрастания потребности в пище и кислороде, которые не всегда удовлетворяются.
В ходе эволюции у организмов выработались различные механизмы регулирования обмена веществ при изменении температуры окружающей среды, основные из них следующие:
биохимическая и физиологическая перестройка систем жизнеобеспечения (изменение набора, концентрации и активности ферментов, обезвоживание, понижение точки замерзания растворов тела и др.);
поддержание температуры тела на более стабильном уровне (по сравнению с температурой окружающей среды), что обеспечивает практически постоянную скорость биохимических реакций. Эта стабильность обусловлена процессами выделения тепла как побочного продукта биохимических реакций и теплоотдачи в окружающую среду.
Организмы с низким уровнем обмена веществ и отсутствием приспособленности к сохранению образующегося тепла имеют температуру тела, а, следовательно, и жизненную активность, зависящую от температуры окружающей среды. Такие организмы называют пойкилотермными (от греч. poikilos - разнообразный) - растения, беспозвоночные животные и др.
Организмы, способные поддерживать постоянную оптимальную температуру тела независимо от изменения её в окружающей среде, называются гомойотермными (от греч. gomoios - одинаковый). Это только 2 высших класса позвоночных - птицы и млекопитающие. Частный случай гомойотермии - гетеротермия характерен для животных, впадающих в неблагоприятный период года в спячку или оцепенение, при этом обмен веществ замедляется (суслики, сурки, ежи, летучие мыши и др.).
У пойкилотермных организмов после холодового угнетения нормальный обмен веществ восстанавливается при температуре, называемой температурным порогом развития и протекает тем интенсивнее, чем выше температура окружающей среды, что ускоряет прохождение всех стадий и всего жизненного цикла организма.
Таким образом, для осуществления генетической программы развития таким организмам необходимо получить из окружающей среды определенное количество теплоты. Эта теплота измеряется суммой эффективных температур. Эффективная температура - положительная разность между температурой окружающей среды и температурным порогом развития организма. Для каждого вида эффективная температура имеет верхние пределы.
Сумма эффективных температур рассчитывается по формуле
?Э.Т .= (tО.С.- tП.Р.)Мn
где: ?Э.Т. - сумма эффективных температур, оС;
tО.С.- температура окружающей среды, оС;
tП.Р.- температурный порог развития, оС;
n - число часов или дней с tО.С. > tП..Р.
Сумма эффективных температур, которая необходима для протекания жизненного цикла, ограничивает географическое распространение видов.
Так как наземная среда обитания имеет большой диапазон колебаний температуры, организмы выработали различные адаптационные механизмы жизнедеятельности в ней.
Так, у растений изменяется химический состав растворов, скорость биохимических реакций, способность поглощать или отражать солнечный свет и другие характеристики.
В отличие от растений, животные, обладающие мышцами, производят гораздо больше собственного внутреннего тепла, что определяет следующие основные пути их температурных адаптаций:
химическое терморегулирование - активное увеличение теплопродукции в ответ на понижение температуры окружающей среды;
физическая терморегуляция - изменение уровня теплоотдачи, способность удерживать тепло или, наоборот, рассеивать его избыток. Это обусловлено особенностями анатомии и физиологии животных (волосяной и перьевой покровы, распределение жировых запасов, наличие испарительной теплоотдачи и т.п.);
поведение организмов - перемещение в пространстве, смена позы и т.п.
Основные способы терморегуляции пойкилотермных организмов (животных) - поведенческие (перемена позы, активный поиск благоприятных микроклиматических условий, смена мест обитания, создание нужного микроклимата за счет, например, рытья нор, сооружения гнёзд и др.).
Эффективным механизмом терморегулирования является испарение воды путем потоотделения через кожный покров или через влажные слизистые оболочки полости рта и верхних дыхательных путей. Так как теплота парообразования воды велика (2,3·106 Дж/кг), таким путем из организма выводится много избыточного тепла. Так, человек в жару за день может выделить до 10-12 л пота, при испарении которого в окружающую среду рассеивается ~2,5·107 Дж тепловой энергии, что соответствует затрачиваемой мощности ~ 580 Вт.
Поддержание температурного баланса организма теплокровных животных зависит также от отношения поверхности тела к его объему. Так, согласно правилу Бергмана из двух близких видов теплокровных более крупный обитает в холодном, а более мелкий в теплом климате; а в соответствии с правилом Аллена относительные размеры конечностей и других выступающих частей тела (хвостов, ушей, клювов) увеличиваются от высоких широт к низким.
Причиной этих изменений являются зависимости теплопродуцирования от массы организма, а теплоотдачи в окружающую среду от поверхности тела.
Терморегуляция при общем высоком уровне окислительных процессов в организме позволяет гомойотермным животным поддерживать свой тепловой баланс (практически постоянную температуру) на фоне широкого диапазона колебаний температуры окружающей среды.
Опираясь на вышеизложенное, можно заключить, что каждая из рассмотренных 2-х групп организмов в аспекте теплового фактора имеет свои экологические выгоды.
2.2.3 Вода (влажность)
Вода является одним из важнейших экологических факторов в жизни наземных организмов. Она составляет основную часть протоплазмы клеток, тканей, растительных и животных соков. Вода с растворенными в ней веществами обусловливает осмотическое давление клеточных и тканевых жидкостей, а также межклеточный обмен. Содержание воды в организме колеблется от 40% масс. (стволы деревьев) до 98% масс. (водоросли).
В процессе эволюции у наземных организмов выработались адаптации, регулирующие водный обмен и расходование влаги.
Дефицит влаги приводит к снижению прироста растений, ограниченности численности организмов, их распространению по земному шару и к другим последствиям.
Важную роль в жизни растений и животных имеет влажность воздуха. Различают абсолютную и относительную влажность воздуха.
Абсолютная влажность отражает концентрацию водяных паров в воздухе и меняется в России от 1,5 г/м3 (зимой) до 14 г/м3 (летом).
Относительная влажность характеризует степень насыщенности воздуха водяными парами и определяется по формуле
А
В= ---- ·100,%
М
где: А - абсолютная влажность воздуха при данных условиях, г/м3;
М - максимально возможная абсолютная влажность воздуха при этих же условиях, г/м3.
В экологии наиболее часто учитывается относительная влажность, т.к. она в большей степени влияет на интенсивность испарительных процессов. Широко используется параметр, называемый дефицитом насыщения, который также характеризует интенсивность испарительных процессов.
По отношению к водному режиму наземные организмы подразделяются на три основные экологические группы: гигрофильные (влаголюбивые), ксерофильные (сухолюбивые) и мезофильные (предпочитающие умеренную влажность).
Наиболее подвержены влиянию водного режима растения, т.к. они не могут передвигаться в поисках необходимой среды.
По отношению к колебанием водоснабжения и испарения растения делят на пойкилогидрические и гомойогидрические. У первых количество воды в тканях непостоянно и зависит от влажности среды (мхи, папоротники и др.). Вторые способны поддерживать относительное постоянство содержания воды в тканях и меньше зависят от условий среды (большинство высших растений).
У наземных животных водообеспечение осуществляется тремя основными путями: через питье; с сочной пищей; в результате метаболизма (за счет окисления и расщепления жиров, белков и углеводов).
Потеря воды у животных происходит путем испарения и выделения мочи, а так же с остатками непереваренной пищи. Излишняя потеря воды опасна для животных и может привести к гибели их скорее, чем голодание.
Виды животных, получающие воду в основном через питье, тяготеют к водоемам (крупные млекопитающие, птицы).
Многие животные могут обходиться без питьевой воды, получая её из воздуха, почвы, пищи и др. способами (мелкие пустынные животные).
В процессе эволюции животные выработали следующие адаптации к поддерживанию водного баланса: поведенческие (поиски водоемов, рытье нор и др.); морфологические (раковины наземных улиток, ороговевшие покровы рептилий и др.); физиологические (образование метаболической воды, экономия воды при выделении мочи и кала, регулирование потоотделения и др.).
Выносливость к обезвоживанию выше у животных, подвергающихся тепловым перегрузкам. Так, для человека потеря воды, превышающая 10% массы тела, смертельна, в то же время верблюды переносят потери воды до 27%, овцы - до 23%, собаки - до 17%.
Экономия воды, выводимой через почки, достигается перестройкой азотного обмена. Так, у водных организмов при распаде белков образуется аммиак (NH3), на выведение которого тратится много воды, а у наземных млекопитающих - мочевина (карбамид) (СО(NH2)2), которая является менее токсичным продуктом и может накапливаться в организме, не причиняя ему особого вреда, а, следовательно, выводиться в более концентрированном виде при меньшем количестве воды.
У пойкилотермных животных нагревание тела в результате повышения температуры воздуха позволяет избегать излишних потерь воды, которая тратится у гомойотермных животных для поддержания постоянной температуры. Этот фактор используют и некоторые животные с хорошей терморегуляцией. Например, верблюды способны на некоторое время „отключать“ терморегуляцонные испарения. Летом в утренние часы температура тела его ~ 35оС, а днем в жару достигает 40,7оС, т.е. почти до предела выносливости. Это позволяет животному экономить на испарении до 5 л воды за сутки.
2.3 Основные среды жизни организмов
2.3.1 Воздух как среда обитания
Из-за наличия силы тяжести на Земле, а также низкой плотности воздуха, обусловливающей его малую опорность, жизнь во взвешенном состоянии в воздушной среде невозможна. Однако множество микроорганизмов и животных регулярно присутствуют в воздухе, используя его низкую сопротивляемость и наличие воздушных потоков для передвижения. Так, ~75% наземных видов животных (насекомые, птицы, летучие мыши) приспособлены к активному полету.
У многих видов организмов развилась способность к пассивному полету, так называемая анемохория - расселение с помощью воздушных потоков. Это возможно либо за счет малых размеров (споры, пыльца и др.), либо за счет придатков, увеличивающих способность к планированию (зонтики, лепестки, пух и др.). В расселении этих организмов большое значение имеют конвективные (вертикальные) и ветровые (горизонтальные) потоки воздуха.
Важную роль в жизнедеятельности организмов играет атмосферное давление, составляющее в норме 101325 Па (760 мм. рт. ст.), которое, уменьшаясь с высотой, ограничивает распространение видов в горах. Для большинства позвоночных верхняя граница жизни составляет ~6000 м, где атмосферное давление составляет ~50% от нормального, что ведёт к уменьшению парциального давления кислорода и, как следствие, к увеличению частоты дыхания и влагопотерь.
Для наземных организмов кроме физических свойств воздуха чрезвычайно важным является его химический состав. Воздух в приземном слое атмосферы состоит из следующих веществ (%масс.): азот (N2) - 78; кислород (О2) - 20,95; диоксид углерода (СО2) - 0,03; остальное - аргон (Ar), метан (CH4), водород (Н2), озон (О3) и др. газы. Кроме того в атмосферу поступают из различных источников другие вещества (газы, пары, пыль и т.п.), имеющие существенное экологическое значение.
Высокое содержание кислорода в воздухе не является фактором, лимитирующим жизнь в наземно-воздушной среде. Содержание СО2 в приземном слое воздуха может изменяться в широком диапазоне, что может значительно влиять на жизнедеятельность организмов. Основным источником диоксида углерода является почва, в которой живут и при «дыхании» выделяют его микроорганизмы. Например, почва леса выделяет до 20 кг/(га·час), а песчаная всего 2 кг/(га·час).
Заметную роль в изменении содержания СО2 в приземном слое воздуха играет деятельность человека. Так, в крупных городах в безветрие концентрация СО2 в воздухе возрастает в десятки раз. Содержание СО2 лимитирует процесс фотосинтеза в растениях. При больших концентрациях (> 0,5% об.) диоксид углерода токсичен для живых организмов.
Азот воздуха фиксируется рядом микроорганизмов (клубеньковые бактерии, сине-зеленые водоросли и др.) и является необходимым элементом для синтеза некоторых органических веществ, например, белка.
Вещества, поступающие в воздух за счет деятельности человека и естественных факторов, часто являются токсичными для организмов (СО, NO+NO2, SO2 и др.). Так, например, диоксид серы (SO2) чрезвычайно ядовит для растений даже в миллионных долях по отношению к объему воздуха. В результате этого вокруг промышленных центров, загрязняющих атмосферу этим газом, почти вся растительность погибает. Особенно чувствительны к SO2 лишайники, наличие которых в конкретной местности говорит о чистоте воздуха.
В воздухе формируется климат местности - многолетний режим погоды, а также микроклимат в отдельных зонах местности. Оба фактора влияют на географическое распределение организмов по Земле.
В атмосферном воздухе формируются необходимые условия для выпадения осадков. Осадки, кроме изменения влажности воздуха, поставляют пресную воду для питья, оказывают механическое действие на организмы (ливень, град), защищают их от влияния низких температур (снежный покров), а также оказывают другие экологические воздействия.
2.3.2 Вода как среда обитания
Как среда обитания организмов вода имеет ряд специфических свойств (большая плотность, значительные перепады давления, относительно малое содержание кислорода, высокая теплоемкость, сильное поглощение солнечных лучей и др.). Отдельные водоемы различаются по солевому режиму, по наличию течений и по др. параметрам.
Обитатели водной среды в экологии называются гидробионтами. По условиям обитания гидробионтов в любом водоеме можно выделить различные зоны. Рассмотрим экологические зоны мирового океана (рис.2.1.). В океане вместе с входящими в него морями можно выделить две основные экологические зоны: толщу воды-пелагиаль и дно - бенталь. Бенталь в зависимости от глубины подразделяется на зоны: сублитораль - область плавного увеличения глубины до 200 м; батиаль - крутой склон дна; абиссаль - океаническое ложе со средней глубиной 3-6 км; ультраабиссаль - впадины океанического ложа; литораль - кромка берега, заливаемая приливами; супралитораль - часть берега, увлажняемого брызгами прибоя.
Совокупность организмов, живущих на дне океана называется бентос, а живущих в толще воды - пелагос.
Пелагиаль также делится на зоны соответствующие зонам бентали: эпипелагиаль, батипелагиаль, абиссопелагиаль.Нижняя граница эпипелагиали (~200м) определяется количеством проникающего солнечного света, достаточным для фотосинтеза. Глубже этих зон зеленые растения не могут существовать. В сумеречных батиальных и полных мрака абиссальных глубинах обитают лишь микроорганизмы и животные.
Основные свойства водной среды:
Плотность воды - фактор, определяющий условия передвижения водных организмов и давление на разных глубинах. Максимальная плотность чистой (дистиллированной) воды достигается при температуре +4оС и равна 1 г/см3. Природные воды имеют плотность до 1,35 г/см3. Давление растет с глубиной в среднем на 1·105 Па (1 атм) на каждые 10м.
Гидробионты более эврибатны, нежели сухопутные организмы. Так, некоторые виды червей могут обитать и в прибрежной зоне и в ультраабиссали. Однако некоторые гидробионты стенобатны, т.е. обитают на строго определенных глубинах. Плотность воды обеспечивает возможность опираться на нее, что является необходимым условием парения в воде. Многие организмы приспособились именно к этому образу жизни и объединяются в особую экологическую группу гидробионтов - планктон. Планктон - это одноклеточные водоросли, простейшие, медузы, некоторые моллюски, мелкие рачки, личинки донных животных, икра и мальки рыб и др.Различают фитопланктон - водоросли и зоопланктон - остальное. Планктон не преодолевает течения и переносится ими на большие расстояния, однако некоторые его виды могут активно перемещаться по вертикали за счет регулирования плавучести тела.
Животных, способных к быстрому плаванию и преодолению сильных течений, объединяют в экологическую группу нектон - это рыбы, кальмары, дельфины. Их быстрое передвижение в воде возможно за счет сильно развитой мускулатуры, сопряженной с обтекаемой формой тела. Животные используют следующие основные способы движения в воде: реактивный, за счет изгибания тела, с помощью конечностей.
Кислородный режим водоёмов:
В насыщенной кислородом воде содержание его составляет не менее 10 мл на 1 л, что в 21 раз меньше, чем в атмосфере. Кислород поступает в воду в основном за счет фотосинтеза в водорослях и диффузии из воздуха. Поэтому верхние слои водоемов богаче кислородом, чем нижние. С повышением температуры и солености воды концентрация кислорода уменьшается. В слоях, сильно заселенных гидробионтами, может ощущаться дефицит кислорода из-за повышенного его потребления. Около дна водоемов условия могут быть анаэробными.
Многие гидробионты эвриоксибионтны (сазан, линь, карась и др.); ряд видов стеноксибионтны и существуют лишь при высоком содержании кислорода (радужная форель, кумжа, гольян и др.). Многие виды способны впадать в состояние аноксибиоза при недостатке кислорода.
Дыхание гидробионтов осуществляется различными путями: поверхностью тела; жабрами; легкими; трахеями. При этом в ходе эволюции выработались различные адаптации, интенсифицирующие дыхание (утончение покровов тела и увеличение относительной его поверхности, перемешивание прилегающих к телу слоев воды, комбинирование водного и воздушного дыхания и др.)
Недостаток кислорода приводит к заморам, сопровождающимся гибелью множества гидробионтов. Зимние заморы обусловлены образованием ледяного покрова, а летние повышением температуры воды и, как следствие, уменьшением растворимости кислорода в воде. Заморы, кроме недостатка кислорода, могут быть вызваны повышением концентрации в воде токсичных газов - метана (СН4), сероводорода (Н2S), диоксида серы (SО2), и др., образующихся в результате разложения органических веществ на дне водоемов.
Солевой режим водоёмов:
Особенностью гидробионтов является поддержание определенного количества воды в теле при её избытке в окружающей среде, т.к. изменение количества воды в клетках приводит к изменению в них осмотического давления и нарушению важнейших жизненных функций.
Водные обитатели в основном пойкилоосмотичны: осмотическое давление в их теле зависит от солёности окружающей воды, основной способ поддержания своего солевого баланса у них - выбор мест обитания с подходящей их потребностям солёностью: пресноводные не живут в морях, морские - не переносят опреснения. При изменении солёности воды животные мигрируют в поисках благоприятной среды. Так, например, при опреснении поверхностных слоёв моря после сильных дождей радиолярии, морские рачки и др. опускаются на глубину до 100 м.
Водные позвоночные, высшие раки, насекомые и их личинки являются гомойоосмотическими, сохраняя постоянное осмотическое давление в теле независимо от концентрации солей в воде.
Если соки тела гипертоничны по отношению к окружающей воде,( ! то организмам угрожает обводнение, иначе - обезвоживание.
Защита организмов от этих неблагоприятных явлений обеспечивается различными путями: изменение концентрации солей в теле; наличие непроницаемых для воды покровов; переход в состояние солевого анабиоза.
Эвригалинных ( ! )видов, способных в активном состоянии обитать как в пресной, так и в соленой воде немного, причем это в основном виды, населяющие дельты рек , лиманы и др. солоноватоводные водоемы.
Температурный режим водоемов:
Физические свойства воды обусловливают более устойчивый температурный режим по сравнению с наземно - воздушной средой по следующим причинам:
высокая удельная теплоёмкость воды, из-за которой получение или отдача значительного количества тепла не вызывает слишком резкого и большого изменения температуры водоёмов;
испарение воды с поверхности водоёмов, происходящей с поглощением энергии, что препятствует их перегреванию;
образование льда, которое происходит с выделением тепла (3,3•105 Дж/кг), что замедляет охлаждение верхних слоёв.
Годовая амплитуда колебаний температуры в верхних слоях океана не > 10 - 15оС, а в континентальных водоёмах ~ 30 - 35оС. В глубинных слоях водоёмов колебания температуры незначительны ~ 1 - 2оС.
Из-за более устойчивого температурного режима водоемов гидробионты более стенотермны, нежели наземные организмы.
Световой режим водоёмов:
В воде света гораздо меньше, чем в воздухе, т.к. происходит отражение его от поверхности воды и поглощение в её объеме. Изменение количества отражённого света в зависимости от высоты стояния солнца над горизонтом уменьшает продолжительность дня в водоёмах. Так, на глубинах ~30 м продолжительность дня летом ~ 5 час, а на глубине 40 м - ~ 15 мин. Быстрое убывание количества света с глубиной обусловлено его поглощением массой воды. Разные длины волн оптического диапазона электромагнитного излучения солнца поглощаются неодинаково: сначала длинноволновые (красный цвет поглощается поверхностным слоем), затем все более коротковолновые лучи (сине - фиолетовые лучи достигают глубины ~ 200 м при хорошей прозрачности воды).
Водоросли в Мировом океане обитают на глубине до 20 - 40 м, причем глубже других проникают красные водоросли (иногда до 100 - 200 м).
С глубиной меняется окраска животных: наиболее разнообразные цвета их в литоральной и сублиторальной зонах; в сумеречных глубинах превалирует красная окраска, являющаяся дополнительной к сине-фиолетовому цвету. Дополнительные по цвету лучи наиболее полно поглощаются телом животных, что позволяет им скрываться от врагов, т.к. их красный цвет в сине-фиолетовых лучах зрительно воспринимается как черный (морской окунь, красный коралл и др.). Глубинные организмы не имеют пигментов и поэтому не окрашены.
Прозрачность воды характеризуется максимальной глубиной, на которой еще виден диск Секки (белый диск диаметром 20 см). Самые прозрачные воды в Саргассовом море - диск виден до глубины 66,5 м, в Тихом океане - 59 м, в мелких морях - 5 - 15 м, в реках 1 - 1,5 м, оз. Байкал - 40 м.
Нижняя (по глубине) граница фотосинтеза меняется также в зависимости от времени года, широты местности и др.
В темных глубинах океана в качестве источника зрительной информации организмы используют свет, испускаемый живыми существами за счёт процесса биолюминесценции. Химия процесса заключается в реакции окисления определённых органических соединений (люциферинов) при помощи белковых катализаторов. При этом избыточная энергия возбуждённых органических молекул выделяется в виде квантов света. Свет излучается импульсами в ответ на раздражения, поступающие из внешней среды. Биолюминесценция играет в основном сигнальную роль.
Специфические приспособления гидробионтов:
Из-за поглощения света в воде у гидробионтов слабо развита зрительная и лучше звуковая ориентация, т.к. звук распространяется в воде быстрее, чем в воздухе.
Для ориентации в глубине гидробионты используют гидростатическое давление толщи воды.
Китообразные используют эхолокацию на основе ультразвука.
Около 300 видов рыб способны генерировать электричество и использовать его для ориентации, сигнализации и защиты от врагов.
Наиболее древний способ ориентации водных животных - восприятие химического состава среды. Хеморецепторы их обладают чрезвычайно большой чувствительностью, что позволяет животным в тысячекилометровых миграциях по океану ориентироваться по запахам. Так, например, угри, кормящиеся в европейских реках и нерестящиеся у берегов Центральной Америки, реагируют на наличие этилового спирта концентрацией 1г на 6000 км3 воды.
Некоторые гидробионты приспособились к фильтрационному способу питания, процеживая через себя большое количество воды с извлечением из неё необходимых веществ (пластинчато- жаберные моллюски и др.). Животные - фильтраторы играют огромную роль в биологической очистке водоёмов. Так, мидии, обитающие на площади дна в 1 м2, могут фильтровать до 150-280 м3 воды за сутки, очищая её от взвешенных частиц.
Многие гидробионты адаптировались к условиям обезвоживания водоемов (зарывание в ил, переход в состояние пониженной жизнедеятельности - гипобиоз и др.).
2.3.3 Почва как среда обитания
Свойства почвы, как экологического фактора (эдафические факторы):
Почва представляет собой совокупность высокодисперсных частиц, благодаря чему атмосферные осадки проникают в её глубину и удерживаются там в капиллярных системах. Сами частицы удерживают на поверхности различные ионы, газы, пары воды. В верхних слоях почвы концентрируются необходимые для питания растений элементы: азот, калий, кальций, фосфор и др. Почвенные растворы различных веществ могут быть кислыми, нейтральными и щелочными. В почвенном воздухе наблюдается повышенное содержание диоксида углерода, углеводородов и водяного пара. В почве также могут содержаться токсичные для организмов химические вещества.
Жизнедеятельность организмов в почве обусловливает её биологические особенности. Так, корневая масса растений в процессе роста, отмирания и разложения разрыхляет почву, создавая определённую структурность ее, и обеспечивает условия для жизни других организмов. Роющие животные перемешивают почвенную массу, а после смерти становятся источником органического вещества для микроорганизмов. Почвенные организмы обеспечивают постоянный круговорот веществ и миграцию энергии, а совместно с климатическими факторами - ежегодные циклические изменения в почве, специфичные для разных широт. Существенную роль, в формировании почвы и её свойств играет рельеф местности.
Физико-химические и механические свойства почвы в совокупности определяют её экологический режим, основными показателями которого являются гидротермические факторы и аэрация. Так, хорошо увлаженная почва легко прогревается и медленно остывает. Суточные колебания температуры почвы достигают глубины до 1 м. Пористость почвы обеспечивает циркуляцию воды и аэрацию её. Аэрация ухудшается с увеличением влажности и температуры почвы. С глубиной в почве увеличивается содержания диоксида углерода. Указанные факторы являются одними из причин вертикальной миграции организмов в почве.
Сложный комплекс температуры, влажности и аэрации почвы обусловливает её гидротермический режим и оказывает решающее влияние на существование почвенных обитателей.
Роль почвы в жизнедеятельности живых организмов:
Благодаря вышеперечисленным свойствам, почва обеспечивает живущим в ней организмам водоснабжение и минеральное питание. Недостаток воды в почве угнетает почвенные организмы. Сухость почвы принято подразделять на физическую и физиологическую: физическая - при атмосферной засухе; физиологическая возникает в результате физиологически недоступной физически имеющейся воды. Так, вода некоторых болот, несмотря на её большое количество, недоступна для растений из-за высокой кислотности и других факторов. Физиологически сухими являются и сильно засоленные почвы.
Подобные документы
Характеристика задач и методов экологии, как науки изучающей условия существования живых организмов и взаимосвязи между организмами и средой, в которой они обитают. Особенности современных экологических проблем, обзор видов загрязнения окружающей среды.
реферат [210,0 K], добавлен 21.02.2010Характеристика экологических проблем и оценка их особенностей в выявлении критериев взаимодействия человека и окружающей среды. Факторы экологических проблем и периоды влияния общества на природу. Анализ взаимосвязи экологических и экономических проблем.
контрольная работа [21,3 K], добавлен 09.03.2011Экологические принципы рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды. Литосфера - твердую оболочку Земли и источники ее загрязнения. Факторы, влияющие на здоровье человека. Антропогенные источники загрязнения окружающей среды.
контрольная работа [21,0 K], добавлен 09.02.2009Общая характеристика загрязнения природной среды. Экологические проблемы биосферы. Атмосфера - внешняя оболочка биосферы. Влияние человека на растительный и животный мир. Пути решения проблем экологии. Рациональное природопользование.
реферат [32,9 K], добавлен 24.01.2007Характеристика природных условий Светлогорского района. Анализ геоэкологических проблем территории. Оценка состояния атмосферного воздуха и водных ресурсов. Динамика выбросов вредных веществ в атмосферный воздух. Загрязнение окружающей среды отходами.
отчет по практике [82,7 K], добавлен 11.02.2014Вклад видов экономической деятельности в загрязнение окружающей среды. Основные загрязнители атмосферы. Характеристика регионов России по показателям загрязнения окружающей природной среды. Экологические последствия использования природных ресурсов.
практическая работа [915,9 K], добавлен 13.11.2016Глобальная экология как самостоятельная сфера экологического познания. Значение развития охраны природы для жизни человека и других организмов. Сущность и специфика основных экологических проблем. Роль окружающей среды для обеспечения здоровой жизни.
реферат [17,5 K], добавлен 01.03.2010Понятие, цели, направления и проблемы государственной политики в области охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов. Организация государственного управления в сфере экологии. Функции экологического контроля, его недостатки.
дипломная работа [417,2 K], добавлен 08.09.2016Роль человека в биосферных процессах, масштабы взаимодействия современного общества с природой. Загрязнение окружающей природной среды, виды и сущность истощения природных ресурсов, классификация ресурсов по признакам исчерпаемости, виды мониторинга.
контрольная работа [87,6 K], добавлен 29.04.2012Антропогенные факторы и их влияние на биотические и абиотические факторы природной среды. Деградация почв: эрозия, опустынивание, засоление и заболачивание. Федеральный закон "Об охране окружающей среды" и особенности правового режима природных ресурсов.
курсовая работа [27,7 K], добавлен 12.02.2014
