экология лпз
.rtfЗАНЯТИЕ №1
Окружающая среда и антропогенные экологические кризисы
Цель занятия: изучить понятие окружающей среды и основные антропогенные кризисы современности.
Окружающая среда как фактор существования живых организмов
Живое неотрывно от среды. Каждый отдельный организм, являясь самостоятельной биологической системой, постоянно находится в прямых или косвенных отношениях с разнообразными компонентами и явлениями окружающей его среды, или иначе, среды обитания.
«Средой» называют все, что окружает организмы, прямо или косвенно влияет на их состояние, развитие, возможности выживания и размножения. Для организмов важен химический состав среды, её физическое состояние (температура, давление, уровень радиации, подвижность частиц, ионизация растворов, электрическое состояние). В состав среды входят и все другие организмы своего и других видов, прямо или косвенно контактирующие с данным видом.
Влияние среды на живые организмы. Адаптация организмов к среде.
Организмы, испытывая потребность в притоке вещества, энергии и информации, полностью зависят от среды.
В процессе приспособления к окружающей среде организм, взаимодействуя с ней отдаёт и принимает различные вещества, энергию, информацию.
Поскольку внешняя среда служит для организма источником энергии и материала для построения собственного тела, а отходы метаболизма, уже не пригодные для использования, выводятся обратно в среду обитания, то любой организм или группа одинаковых организмов в процессе жизнедеятельности будут неизбежно изменять внешнюю среду, истощая её ресурсы и перегружая отходами. В силу этого постоянство состава среды возможно лишь при наличии большого разнообразия организмов, населяющих общую территорию.
С экологической позиции среда – комплекс природных тел и явлений, с которыми организм находится в прямых или косвенных взаимоотношениях. В широком смысле это материальные тела, явления и энергия, воздействующие на организм.
В научной литературе по-разному трактуется понятие «среда» в зависимости от степени конкретизации. Так внешняя среда определяется как совокупность сил и явлений природы, её вещество и пространство, любая деятельность человека (организма), находящаяся вне рассматриваемого объекта или субъекта и необязательно непосредственно контактирующая с ним.
На нашей планете можно выделить 4 качественно отличные среды жизни.
1) Водная. Вода служит средой обитания многих организмов.
Из воды они получают все необходимые для жизни вещества: пищу, воду, газы. Большое разнообразие водных организмов характеризует их приспособленные особенности в водной среде. Эти особенности определяются физическими и химическими свойствами воды.
Способность перемещаться в водной среде обусловлена специальными приспособлениями самих организмов (многочисленные выросты, плавники).
Дыхание водных организмов может совершаться всей поверхностью тела или специальными органами – жабрами.
2) Наземно-воздушная среда. Освоенная позже в ходе эволюции водной, более сложна и разнообразна. Её свойственен более высокий уровень организации живого.
Наиболее важным фактором в данной среде являются свойства и состав воздушных масс. Кроме того, разнообразны формы движения: бегание, прыгание, ползание, полёт.
Условия жизни существенно меняются, чем в водной среде.
3) Почвенная. Верхний слой почвы характеризуется необычайно богатой жизнедеятельностью. Некоторые организмы проводят в почве всю жизнь, другие – частично.
4) Внутренняя среда организма. Тела многих организмов могут служить жизненной средой для других организмов (паразитов, симбионтов и др.). Главную роль для них играет обилие пищи, относительная стабильность условий, защищённость от неблагоприятных факторов, но в то же время активное сопротивление организма-хозяина.
Более полнее и правильнее данное понятие характеризуется как окружающая организма среда. Это то же, что и внешняя, но находящаяся в непосредственном контакте с объектом или субъектом.
Окружающая организма среда – одно из основных экологических понятий, которое означает весь спектр окружающих организма элементов и условий в той части пространства, где обитает организм, все то, среди чего он живет и с чем непосредственно взаимодействует.
Понятие «окружающая среда» было введено в экологию немецким биологом Я. Юкскюлем (1864-1944), который считал, что живые существа и среда их обитания взаимосвязаны между собой и образуют вместе единую систему окружающей их действительности.
К окружающей среде относится вся природная среда (возникшая на Земле вне зависимости от человека и унаследованная им от предшествующих поколений) и техногенная среда (то есть среда, созданная человеком) (рис. 1).
Различают природную и техногенную окружающую среды.
Природная среда существует на Земле независимо от человека. Она определяется совокупностью естественных условий существования организмов. Природная среда включает в себя растительный и животный мир, а также океаны, леса, горы, реки и т.д. Прямо и косвенно она влияет на состояние и свойства организма.
Природная среда в свою очередь делится:
- на абиотическую природную среду – все силы и явления природы, происхождение которых прямо не связано с жизнедеятельностью ныне живущих организмов;
- на биотическую природную среду – силы и явления природы, обязанные своим происхождением жизнедеятельности ныне живущих организмов.
Техногенная среда создана человеком, она включает в себя строения, производства, машины и т.д. Таким образом, являясь частью природы, человек воздействует на природу и изменяет её.
Свойства среды постоянно меняются и любой объект биотической природы, чтобы выжить, приспосабливается к этим изменениям. Таким образом, совокупность абиотических (неживых) и биотических (живых) условий его жизни образуют среду обитания организма.
Общая схема соотношения компонентов окружающей среды представлены на рисунке 2.ВВЕДЕНИЕ
Самостоятельно тема 1
Общая схема соотношения компонентов окружающей среды представлены на рисунке 2.
Термины и определения к рисунку 2:
• природная среда (также природа) – совокупность компонентов природной среды, природных и природно-антропогенных объектов;
• компоненты природной среды – земля, недра, почвы, поверхностные и подземные воды, атмосферный воздух, растительный, животный мир и иные организмы, а также озоновый слой атмосферы и околоземное космическое пространство;
• природный объект – естественная экологическая система, природный ландшафт и составляющие их элементы, сохранившие свои природные свойства;
• антропогенный объект – объект, созданный человеком для обеспечения его социальных потребностей и не обладающий свойствами природных объектов;
• природно-антропогенный объект – природный объект, изменённый в результате хозяйственной или иной деятельности, и (или) объект, созданный человеком, обладающий свойствами природного объекта и имеющий рекреационное и защитное значение.
Среда обитания (жизни) – это часть природы, окружающая живые организмы и оказывающая на них определенное воздействие. На нашей планете живые организмы освоили 4 среды обитания: водную, наземно-воздушную, почвенную и организменную.
Различают следующие среды обитания.
1) Водная. Самая первая (древняя). Освещённость убывает с глубиной. При погружении на каждые 10 м давление возрастает на 1 атмосферу. Дефицит кислорода. Степень солёности возрастает от пресных вод к морским и океаническим. Относительно однородная (гомогенная) в пространстве и стабильная во времени.
Адаптации организма к среде: обтекаемая форма тела, плавучесть, слизистые покровы, развитие плавательного пузыря, жабер, воздухоносных полостей, осморегуляция.
2) Почвенная. Отчасти создана живыми организмами. Осваивалась одновременно с наземно-воздушной средой. Дефицит или полное отсутствие света. Высокая плотность. Неоднородная (гетерогенная) в пространстве.
Адаптации организма к среде: развитая мускулатура, конечности, более совершенная дыхательная система (лёгочное дыхание), у некоторых животных имеется копательный аппарат.
Для многих групп характерны микроскопические или мелкие размеры как приспособление к жизни в плёночной воде или в воздухоносных порах.
3) Наземно-воздушная. Обилие света и кислорода, гетерогенная в пространстве, очень динамичная во времени.
Адаптации организма к среде: выработка опорного скелета, механизмов регуляции гидротехнического режима.
4) Организменная. Жидкая (кровь, лимфа) или твёрдая (плотные ткани). Наибольшее постоянство среды во времени из всех сред обитания.
Адаптации организма к среде: коадаптация (взаимное приспособление) паразита и хозяина, симбионтов друг к другу, синхронизация биоритмов, выработка у паразита защиты от переваривания хозяином.
Антропогенные факторы – это все формы деятельности человека – прямо или косвенно, с непосредственным или отдалённым эффектом, воздействующие на естественную природную среду. Воздействия антропогенных факторов носят часто негативный характер для природы, вызывая разрушения структуры естественных природных систем, загрязнения или истощение их.
Экологические кризисы, а также бедствия и катастрофы – это нарушения природного экологического равновесия, потеря устойчивости биологическими системами.
Причинами экологических кризисов являются резкие изменения климата, состава атмосферы и почвы, уничтожение растительного и животного мира, повышение радиации и другие факторы, резко выводящие экосистемы из равновесия.
В состоянии равновесия все компоненты экосистемы находятся в состоянии подвижного равновесия друг с другом. Если происходят отклонения в одном компоненте экосистемы, то другие компоненты изменяются таким образом, что бы этот компонент вернулся в свое нормальное состояние.
Экологические кризисы, когда экосистемы выводятся из равновесия настолько, что не могут вернуться в прежнее состояние, бывают:
1) региональные, при которых нарушается экологическое равновесие в каком-то регионе Земли. Например: прорыв нефтяной скважины, сброс мусора и т.п.;
2) глобальные – на всем Земном шаре. Причинами глобальных экологических кризисов бывают резкие изменения климата, изменения скорости или направления морских течений, изменения светимости Солнца, изменения наклона земной оси к плоскости орбиты, быстрое таяние вечной мерзлоты и ледников и др.
Изменения часто имеют природный характер и не зависят от деятельности человека, они бывают циклические – закономерно повторяющиеся через равные промежутки времени, а бывают ациклические, как, например, падение Тунгусского метеорита.
Человечество также является одной из причин региональных и глобальных экологических кризисов из-за своей неразумной производственной деятельности и неограниченной рождаемости людей. Извлекая природные ресурсы, перерабатывая их, Человечество воздействует на экосистемы так, что последствия становятся необратимыми и чрезвычайно опасными.
Подобными кризисами, вызванными антропогенными воздействиями, принято считать следующие.
1) Кризис перепромысла животных (кризис консументов) или первый антропогенный экологический кризис, который произошёл 10-50 тыс. лет назад в результате интенсивного развития охоты.
Выход из кризиса: переход к производящему хозяйству (первая сельскохозяйственная революция).
2) Кризис примитивного поливного земледелия (кризис продуцентов), возник около 2 тыс. лет назад, в связи с повышением производительности сельского хозяйства и появлением излишков продукции, которые можно было менять или продавать. Кризис был вызван истощением почв.
Выход из кризиса: переход к широкому освоению неполивных земель (вторая сельскохозяйственная революция).
3) Кризис перепромысла растительного материала (кризис продуцентов) или второй антропогенный кризис, произошел 150-350 лет назад за счёт интенсивного использования ископаемых источников энергии (угля, торфа, нефти, газа и др.).
Выход из кризиса: рациональное использование природных источников.
4) Кризис физического и химического загрязнения биосферы (кризис редуцентов) или третий антропогенный (глобальный) кризис, возник 40-60 лет назад в связи с развитием научнотехнической революции.
В настоящее время третий антропогенный кризис дополнился четвертым глобальным термодинамическим (тепловым) кризисом или энергетическим кризисом потребления, связан с парниковым эффектом за счёт загрязнения атмосферы парниковыми газами.
Растущее потребление энергии и выделение парниковых газов грозит планете глобальной экологической катастрофой. Может произойти повышение уровня Мирового океана и затопление прибрежных земель) таких, как земли северной Европы) и многих крупных городов. Кроме того, уже сейчас наблюдаются локальные кризисные климатические ситуации, связанные с возникновением торнадо, смерчей, резкими перепадами погоды, наводнениями – всё это результат нарушения термодинамического режима нашей планеты. Выброс газов в атмосферу ведёт ещё к двум опасностям – выпадению кислотных осадков и разрушение озонового слоя.
Выход из кризиса: «экологическое воспитание», грамотный подход к источникам загрязнения окружающей среды, переход на альтернативные энергоресурсы.
Контрольные вопросы
1. Охарактеризуйте понятие среды, окружающей организма среды.
2. Дайте характеристику основным средам обитания живых организмов и адаптации организмов к ним.
-
Характеристика основных антропогенных экологических факторов и кризисов, причин возникновения и путей их решения.
Самостоятельно тема 2
Космические факторы: включающие в себя воздействие радиоактивного излучения на организм.
Механический состав среды: водной, воздушной, почвенной, с которыми постоянно контактируют живые организмы.
Высокотемпературные факторы: огонь, пожары, извержения, воздействующие на окружающую среду и биоту. Воздействие огня проявляется, прежде всего, в устранении конкуренции для видов, в некоторых случаях уничтожении видов или их миграции.
2. Химические факторы, включают в себя следующие группы факторов.
Эдафические, которые рассматривают количественный и качественный состав среды и включают в себя следующие разновидности факторов.
Состав водной среды: распространение и жизнедеятельность организмов в водной среде в значительной степени зависит от её химического состава.
Прежде всего, водные организмы подразделяются на пресноводные и морские в зависимости от солёности воды, в которой они обитают.
Состав воздуха: газовая смесь, сложившаяся в ходе эволюции Земли.
Состав почв: минеральная основа, органическое вещество, вода и воздух.
Биотические экологические факторы – факторы, которые связаны с живы ми организмами, они характеризуют влияние одних организмов на другие.
Зоогенные биотические факторы: влияние животных на растения. Например, с поеданием всего растения или нарушением структуры при вытап тывании и т.д.
Имеются и положительные аспекты воздействий животных на растения, например, опыление насекомыми и птицами.
Фитогенные биотические факторы: растения воздействуют на другие растения.
Микробогенные биотические факторы: непосредственное влияние ми кроорганизмов на организм животного или растения.
Микогенные биотические факторы: влияние грибов и продуктов их жизнедеятельности на организм животных и растений.
Антропогенные экологические факторы связаны с влиянием деятель ности человека, приводящие либо к прямому воздействию на живые организмы, либо к изменению среды их обитания (охота, промысел, сведение (вырубка) ле сов, загрязнение, эрозия почв, осушение болот и др.).
В некоторых литературных источниках можно встретить объединение в одну группу биотических (природных) и антропогенных факторов. При этом различают воздействие человека как биологического организма (потребление пищи, дыхание, выделение и т.д.) и его хозяйственную деятельность (сельское хозяйство, промышленность, энергетика, транспорт, бытовая деятельность и т.д.).
Факторы, связанные с хозяйственной деятельностью человека, называют ся техногенными.
Адаптации (приспособления) организмов к условиям среды
Адаптации – различные приспособления к среде обитания, выработав шиеся у организмов в процессе эволюции. Адаптации проявляются на разных уровнях организации живой материи: от молекулярного до биоце нотического. Изменения внешнего строения организмов – наиболее яркий пример адаптации к условиям жизни. Способность к адаптации – одно из основных свойств живой материи, обеспечивающее возможность её суще ствования.
В процессе приспособления к неблагоприятным условиям среды живые организмы смогли выработать три основных пути приспособления.
Активный путь – это усиление сопротивляемости, развитие регулятор ных процессов, которые позволяют осуществить все жизненные функции ор ганизмов, несмотря на неблагоприятные факторы. Указанный путь связан с поддержанием постоянства внутренней среды независимо от колебаний воз действий внешних факторов. Например, у теплокровных животных (птиц и млекопитающих), обитающих в условиях изменчивой температуры, поддер живается постоянная внутренняя температура, которая оптимальна для био химических процессов в клетках тела. Вполне очевидно, что такое активное сопротивление влиянию внешней среды требует больших затрат энергии, ко торую им необходимо постоянно восполнять.
Пассивный путь – связан с подчинением жизненных функций организ ма изменению факторов среды. Например, недостаток теплоты приводит к угнетению жизнедеятельности и понижению уровня метаболизма, что способствует экономному использованию энергетических запасов.
В случае резкого ухудшения условий среды организмы разных видов могут приостанавливать свою жизнедеятельность и переходить в состояние так называемой скрытой жизни. Так, некоторые мелкие организмы способны полностью высыхать на воздухе, а затем возвращаться к активной жизни по сле пребывания в воде. Такое состояние мнимой смерти называют анабиозом.
Переход в состояние глубокого анабиоза, когда практически полностью останавливается обмен веществ, существенно расширяет возможности выжи вания организмов в самых экстремальных условиях. Известно, что высушен ные семена и споры растений, а также некоторые мелкие животные (ко ловратки, нематоды) способны выдерживать температуры ниже минус 2000 С.
К случаям скрытой жизни могут быть отнесены оцепенении насекомых, зимний покой растений, спячка позвоночных животных, сохранение семян и спор в почве. Многие годы некоторые бактерии находятся в неактивном со стоянии, в том числе и болезнетворные, пока не возникнут благоприятные условия для их пробуждения и последующего размножения.
Избегание неблагоприятных воздействий – выработка организмом та ких жизненных циклов и поведения, которые позволяют избежать неблаго приятных воздействий. Например, сезонные миграции животных.
Адаптации развиваются под действием трёх основных факторов: на следственности, изменчивости и естественного (а также искусственного) от бор.
Обычно приспособление вида к среде осуществляется тем или иным со четанием всех трёх возможных путей адаптации. Адаптации можно разде лить на три основных вида.
1) Морфологические адаптации – изменения в строении организма. Например, яркая окраска. Данная адаптация у животных приводит к образо ванию определённых жизненных форм.
2) Физиологические адаптации – изменения в физиологии организма. Например, способность верблюда обеспечивать организм влагой, путём окис ления запасов жира, наличие целлюлозоразрушающих ферментов у целлюло зоразрушающих бактерий и др.;
3) Этологические (поведенческие) адаптации – изменения в поведении. Например, сезонные миграции млекопитающих и птиц, впадение в спячку в зимний период, брачные игры у птиц и млекопитающих в период размноже ния и др.
Общие закономерности воздействия экологических факторов
Воздействие экологического фактора на организм зависит от его интен сивности (дозы). Несмотря на многообразие влияния экологических факторов, можно выявить общие закономерности их воздействия.
При небольших значениях или при чрезмерном воздействии фактора жиз ненная активность организма заметно угнетается.
Наиболее эффективно действие фактора не при минимальных или макси мальных его значениях, а при некотором его значении, оптимальном для данно го организма. Диапазон действия или зона толерантности (выносливости), экологического фактора ограничен соответствующими крайними пороговыми значениями (точки минимума и максимума) данного фактора, при которых, воз можно, существование организма (рис. 6), т.е. это пределы выносливости вида по отношению к какому-либо конкретному воздействию.
Толерантность (от лат. – терпение) – выносливость вида по отношению к колебаниям какого-либо экологического фактора.
Точка на оси абсцисс (точка 2), которая соответствует наилучшему показа телю жизнедеятельности организма, означает оптимальную величину фактора – это точка оптимума. Поскольку определить оптимальное значение фактора с высокой точностью бывает трудно, говорят о диапазоне значений по следнего – о зоне оптимума или зоне комфорта. Таким образом, три точки (оп тимума, минимума и максимума) составляют три кардинальные точки, которые определяют возможность реакции организма на данный фактор. За пределами зоны толерантности – нижним и верхним пределами образуют летальные значе ния фактора, при которых наступает гибель организма.
Условия среды, в которых какой-либо фактор (или совокупность факто ров) выходит за пределы зоны оптимума (комфорта) и оказывает угнетающее действие, называют экстремальными (стрессовыми).
Зона выносливости (толерантности) или диапазон у стойчивости
Рис. 6. Общая схема действия экологического фактора на живой
организм:
1 – точка минимума, 2 – точка оптимума; 3 – точка максимума
Рассмотренные выше закономерности воздействия экологических факто ров на живые организмы и характер ответных реакций последних составляют правило (закон) оптимума – любой экологический фактор имеет определенные пределы положительного влияния на живые организмы.
Рассмотрим явление толерантности на примере растения: для разных ви дов растений или животных условия, в которых они особенно хорошо себя чув ствуют, неодинаковы. Например, одни растения предпочитают очень влажную почву, другие – сухую. Одни требуют сильной жары, другие лучше переносят более холодную среду и т.п. В лабораторных экспериментах эти различия про являются особенно четко.
Проведены следующие лабораторные исследования. Растения выращива ют в различных камерах, где контролируются все абиотические факторы. При этом один фактор изменяется, а остальные остаются неизменными. В данном случае изменяется температура.
Результаты исследований показывают, что по мере повышения температу ры от некоторой величины, ниже которой рост вообще не возможен, растение развивается всё лучше и лучше, пока скорость роста не достигнет максимально го значения. При дальнейшем повышении температуры растение будет чувство вать себя всё хуже и хуже и в конечном итоге погибнет. Графически это можно изобразить на рисунке 7.
У каждого фактора, влияющего на рост, размножение и выживание орга низма, есть оптимум, зона стресса и далее зона, в которой существование дан ного организма не возможно.
Сходные эксперименты можно провести и для проверки влияния других факторов, причём результаты графически всегда одинаковы.
Подобные эксперименты показывают, что виды могут существенно разли чаться с точки зрения оптимальных условий и пределов устойчивости. Напри мер, количество воды оптимальное для одного вида вызывает стресс у другого и приводит к гибели третий вид. Некоторые растения вообще не пере носят заморозков (t<0°C), это ведёт к их гибели, другие растения способны вы жить при небольших холодах, а есть растения, для которых несколько недель отрицательных температур – необходимое условие завершения жизненного цик ла. То же самое справедливо и для других экологических факторов.
В описанном выше эксперименте изменялся только один фактор, а осталь ные как бы соответствовали зоне оптимума. Таким образом, наблюдается дей ствие закона лимитирующего фактора: даже единственный фактор за пределами своего оптимума приводит к стрессовому состоянию организма, а в пределе – к его гибели.
Существование и выносливость организма часто подвергаются воздей ствию двух или большему числу факторов окружающей среды. Тогда решаю щее значение будет принадлежать такому фактору, который имеется в мини мальном количестве, т.е. «закона минимума», сформулированного немецким хи миком Ю. Либихом (1840). Согласно данному закону – выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей, то есть жизненные возможности лимитируются экологическими факторами, коли чество и качество которых близки к необходимому организму минимуму; даль нейшее её снижение ведёт к гибели организма.
В дальнейшем американский ученый В. Шелфорд (1913) определил, что факт существования организма может определяться не минимальным значени ем, а наоборот, избытком любого из факторов, сформулировав основу закона то лерантности: лимитирующим фактором процветания (жизнедеятельности) орга низма (вида) может быть как минимум, так и максимум экологического воздей ствия, диапазон между которыми определяет величину выносливости (толе рантности) организма к данному фактору.