53. Круговороты вещества. Общая характеристика круговорота серы.

Из природных источников сера попадает в атмосферу в виде сероводорода, диоксида серы и частиц сульфатных солей

Около одной трети соединений серы и 99% диоксида серы – антропогенного происхождения. В атмосфере протекают реакции, приводящие к кислотным осадкам:

2SO2 + O2 ® 2SO3 ,

SO3 + H2O ® H2SO4 .

54. Круговороты вещества. Общая характеристика круговорота фосфора

Фосфор – один из основных компонентов (главным образом в виде и ) живого вещества и входит в состав нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), клеточных мембран, аденозинтрифосфата (АТФ) и аденозиндифосфата (АДФ), жиров, костей и зубов. Круговорот фосфора, как и других биогенных элементов, совершается по большому и малому циклам.

Запасы фосфора, доступные живым существам, полностью сосредоточены в литосфере. Основные источники неорганического фосфора – изверженные или осадочные породы. В земной коре содержание фосфора не превышает 1%, что лимитирует продуктивность экосистем. Из пород земной коры неорганический фосфор вовлекается в циркуляцию континентальными водами. Он поглощается растениями, которые при его участии синтезируют различные органические соединения и таким образом включаются в трофические цепи. Затем органические фосфаты вместе с трупами, отходами и выделениями живых существ возвращаются в землю, где снова подвергаются воздействию микроорганизмов и превращаются в минеральные формы, употребляемые зелёными растениями.

В экосистеме океана фосфор приносится текучими водами, что способствует развитию фитопланктона и живых организмов.

В наземных системах круговорот фосфора проходит в оптимальных естественных условиях с минимумом потерь. В океане дело обстоит иначе. Это связано с постоянным оседанием (седиментацией) органических веществ. Осевший на небольшой глубине органический фосфор возвращается в круговорот. Фосфаты, отложенные на больших морских глубинах не участвуют в малом круговороте. Однако тектонические движения способствуют подъёму осадочных пород к поверхности.

Таким образом фосфор медленно перемещается из фосфатных месторождений на суше и мелководных океанических осадков к живым организмам и обратно (рис. 4).

Рассматривая круговорот фосфора в масштабе биосферы за сравнительно короткий период, можно сделать вывод, что он полностью не замкнут. Запасы фосфора на земле малы. Поэтому считают, что фосфор – основной фактор, лимитирующий рост первичной продукции биосферы. Полагают даже, что фосфор – главный регулятор всех других биогеохимических циклов, это – наиболее слабое звено в жизненной цепи, которая обеспечивает существование человека.

Антропогенное влияние на круговорот фосфора состоит в следующем:

1. добыча больших количеств фосфатных руд для минеральных удобрений и моющих средств приводит к уменьшению количества фосфора в биотическом круговороте;

2. стоки с поле, ферм и коммунальные отходы приводят к увеличению фосфат-ионов в водоёмах, к резкому росту водных растений и нарушению равновесия в водных экосистемах.

55. Демографическая характеристика популяций. Рост народонаселения и его экологические последствия.

Они бывают пространственными (статистическими) и временными (динамическими).

I. К пространственным характеристикам относятся: общая численность, пространственное распределение, возрастной и половой составы популяции. Они характеризуют состояние популяции в какой-то определенный момент времени (t).

А. Пространственное распределение организмов в популяции имеет свои особенности. Могут встречаться несколько типов пространственного распределения особей в популяции. Эти типы выражают реакции особей в популяции на различные влияния, например благоприятные физические условия или конкурентные реакции. Пространственная структура популяции может изменяться во времени: она зависит от сезона года, численности особей, возраста популяции и т. д.

1. Равномерное (регулярное) распределение наблюдается при сильной конкуренции особей, когда вероятность нахождения одной особи рядом с другой крайне мала. В природе встречается очень редко.

Например, у деревьев, у животных, которым свойственна территориальность, и они «метят» свою территорию; у хищных рыб, пластинчатожаберных моллюсков.

2. Случайное распределение— когда организмы расселяются в однородной среде. В этом случае сила и направление воздействия абиотических и биотических факторов случайно изменяются во времени и пространстве. Встречается не очень часто. Характерно для пауков, обитающих в лесной подстилке, майских жуков, тлей.

3. Групповое или пятнистое (конгрегационное) распределение — наиболее распространенный тип, характерный и для водных, и для наземных экосистем. Оно обусловлено прежде всего неоднородностью экологических условий среды. Например, косяки рыб, стаи водоплавающих птиц при перелетах.

Групповое размещение обеспечивает популяции более высокую устойчивость по отношению к неблагоприятным условиям, чем отдельной особи. Многие животные, ведущие подвижный образ жизни, расселяются активно. Это приводит к интенсивному смешению популяций и стирает границы между ними. Например, очень подвижные песцы, некоторые птицы и другие животные имеют огромные ареалы без резких границ между популяциями. У малоподвижных и пассивно перемещающихся организмов, наоборот, популяции четко разграничены даже на небольшой территории. Например, популяции многих земноводных, наземных моллюсков.

Размеры ареала популяции зависят от величины ее особей. Мелкие особи занимают сравнительно небольшие ареалы, а особи крупных размеров живут на обширных территориях. Однако это правило имеет много исключений. Известно, например, что территория, занимаемая популяцией прыткой ящерицы, может колебаться от 0,1 га до нескольких гектаров.

Знание типа пространственного распределения особей важно при оценке плотности популяции методом выборки.

Б. Численность популяции — это общее количество особей на данной территории или в данном объеме.

Численность никогда не бывает постоянной и зависит от соотношения интенсивности размножения, смертности, миграции. В процессе размножения происходит рост популяции, смертность же приводит к сокращению ее численности.

Изменение числа особей в популяции во времени называется динамикой численности.

Изучение динамики численности популяций имеет важное значение для предсказания резкого роста числа вредителей или промысловых животных.

В природных условиях изменение численности популяций носит колебательный характер. У некоторых популяций колебания численности носят правильный циклический характер.

Например, циклы у саранчи. Сведения о нашествии странствующей саранчи в Евразии дошли до нас еще с глубокой древности. Саранча живет в пустынях и маловодных районах. На протяжении многих лет она не совершает миграций, не пожирает посевов, не привлекает к себе внимания. Но со временем плотность популяций саранчи достигает огромных размеров и ряд насекомых за счет гормональных изменений претерпевает метаморфоз. У них начинают развиваться длинные крылья, они перелетают в сельскохозяйственные районы, съедая все на своем пути. Вероятной причиной таких изменений является нестабильность факторов среды.

Иногда колебания численности вызваны внутренними факторами. Например, у ряда млекопитающих из-за перенаселенности происходят резкие изменения физиологического состояния на нейро-гуморальном уровне. Меняется их поведение, снижается устойчивость к заболеваниям и другим видам стресса. Повышается смертность и снижается плотность популяции. Например, зайцы-беляки в периоды пика численности внезапно погибают от «шоковой болезни».

Таким образом, факторы, влияющие на численность популяции, можно разделить на:

1) не зависящие от ее плотности (абиотические факторы);

2) зависящие от ее плотности (биотические факторы — конкуренция, хищничество, обеспеченность пищей, распространение инфекций и т. д.).

Множество механизмов регуляции численности популяции в природных условиях способствует тому, что в природных популяциях редко наблюдается катастрофический рост численности, подрыв ресурсов и гибель популяции.

Способность популяции поддерживать оптимальную в данных условиях численность называется гомеостазом популяции.

В связи с трудностью определения общей численности популяции на практике определяют ее плотность.

В. Плотность популяции — это среднее число особей на единицу площади или объема занимаемого популяцией пространства.

Оптимальная плотность — это такой уровень плотности, при котором совмещается рациональное использование территории и осуществление внутрипопуляционных функций. Поддержание оптимальной плотности — сложный процесс биологического регулирования, основанный на принципе обратной связи.

Примерами плотности популяции могут быть 5 млн особей хлореллы на 1 м3 воды, 550 деревьев сосны обыкновенной на 1 га леса.

При возрастании численности плотность популяции не увеличивается только тогда, когда возможно ее расселение, т. е. расширение ее ареала. Расселение продолжается до тех пор, пока популяция не встретится с какой-либо преградой.

II. Временные (динамические) характеристики популяции: рождаемость, смертность, скорость роста и кривая роста.

Данные показатели характеризуют процессы, протекающие в популяции за некоторый промежуток времени (At).

А. Рождаемость — число новых особей, появившихся за единицу времени в результате размножения.

Показатель рождаемости — это число новых особей (также яиц, семян), родившихся (вылупившихся, отложенных) в популяции за определенный промежуток времени.

К факторам, влияющим на рождаемость можно отнести:

а) количество организмов, способных в данный период времени к размножению, которое определяется половой и возрастной характеристиками популяции;

б) соотношение периода размножения к величине популяции;

в) состояние физических условий среды;

г) плотность популяции;

д) плодовитость особей.

Плодовитость особей — это эволюционно сложившаяся способность животных приносить свойственный каждому виду приплод, компенсирующий в нормальных условиях естественную смертность.

Плодовитость зависит от возраста, сезона года, степени обеспеченности животных пищей, заботы о потомстве, вскармливания детенышей, обеспеченности яиц желтком в цитоплазме, условий окружающей среды.

Рождаемость популяции не может быть прямо пропорциональна плодовитости. Например, взрослая самка трески выметывает миллионы икринок, из которых в среднем доживают до взрослого состояния лишь 2 особи. Отсутствие заботы о потомстве у рыб компенсируется очень большим числом откладываемых икринок.

Большая плодовитость вырабатывается в ходе эволюции как способ компенсации численности особей при высоком уровне смертности (у видов, менее приспособленных к неблагоприятным условиям среды).

В благоприятных условиях плодовитость обычно низкая. Например, самки калифорнийских кондоров откладывают только 1 или 2 яйца. Это делает данный вид более уязвимым к вымиранию, чем такие виды, как утки и куропатки, которые откладывают и высиживают от 8 до 15 яиц одновременно.

Рождаемость видов также зависит от того, сколько раз в году самки проходят через полный цикл размножения, и от продолжительности беременности. Например, полевка с периодом беременности всего лишь в 21 день может производить большое количество детенышей. Африканский слон имеет период беременности почти 2 года и не рожает более до тех пор, пока его детеныш не станет достаточно взрослым. Таким образом, у слонов рождается всего 1 детеныш как минимум каждые 2,5 года.

Когда плотность популяции, живущей на конкретной территории, падает ниже определенного уровня, у особей могут возникать трудности в поиске партнеров и рождаемость может упасть. И наоборот, если плотность популяции становится слишком высокой для достаточного обеспечения пищей, то это сказывается на здоровье репродуктивных особей. При перенаселенности и стрессовых условиях некоторые виды, крысы например, испытывают резкое падение рождаемости, даже если наблюдается избыток пищи.

Все приспособительные реакции организмов в природе направлены на повышение вероятности выживания и оставления потомства.

Б. Смертность — показатель, отражающий количество погибших в популяции особей за определенный отрезок времени.

Смертность в популяции зависит в первую очередь от генетической и физиологической неполноценности особей. К другим факторам, влияющим на смертность, можно отнести межвидовую и внутривидовую конкуренцию за пищевые и другие ресурсы.

Смертность может также повыситься:

■ из-за наличия хищников, болезней и паразитов;

■ от стресса;

■ от перенаселенности;

■ из-за потери или ухудшения естественной среды обитания в результате человеческой деятельности;

■ из-за природных катаклизмов, таких как засухи, землетрясения, ураганы, пожары и наводнения.

На разных этапах онтогенеза эти причины действуют на популяцию в разной степени, и до естественной смерти доживает мало видов.

В основном смертность и возрастная структура в популяциях зависят от того, какие шансы для выживания имеют особи в различных возрастных группах.

Выживаемость — это число особей, сохранившееся в популяции за определенный промежуток времени.

Каждый организм характеризуется своей индивидуальной продолжительностью жизни, которая может изменяться в некоторых пределах.

Чем больше смертность, тем меньше средняя продолжительность жизни. Графики, характеризующие изменение численности и предельный возраст организмов в случаях различной интенсивности смертности, называются кривыми выживания. Обычно при их построении по оси абсцисс откладывают время или возраст, а по оси ординат — число выживших особей. Кривые выживания бывают трех типов:

1. Очень выпуклая кривая (рис. 9А) характерна для видов, у которых смертность в течение жизни остается низкой, а к концу жизни возрастает, когда увеличивается гибель взрослых, старых особей. Такие кривые характерны для крупных животных и человека.

2. К промежуточному типу (рис. 9Б) относят кривые выживания видов, у которых смертность мало изменяется с возрастом и остается более или менее постоянной в течение всей жизни (например, гидры, рептилии, птицы, мыши, кролики).

3. К третьему типу относят сильно вогнутые кривые (рис. 9В). Они получаются, когда смертность очень высока на ранних стадиях развития (в стадии семян — у растений, личинок — у рыб, устриц, двустворчатых моллюсков). Но как только особи подрастают, их смертность резко снижается. У многих рыб, например, до взрослого состояния доживает 1-2% от числа выметанной икры, у насекомых — 0,3-0,5% от отложенных яиц.грунтовых и подземных вод, структуры почв, изменению микроклимата и т. п.

Большие города потребляют в сутки значительное количество воды, пищи и топлива, а взамен выбрасывают в атмосферу огромное количество газообразных, жидких и твердых отходов. Кроме того, огромная масса города, сосредоточенная на небольшой площади, оказывает значительное давление на земную кору, вызывая смещение ее пластов, микроземлетрясения. При сохранении сложившихся темпов роста населения и сосредоточения его в крупных промышленных городах в ближайшие десятилетия в несколько раз возрастет потребление энергетических и материальных ресурсов. Это вызовет необходимость разработки принципов освоения новых природных ресурсов, в том числе за счет использования месторождений морей и океанов. Вмешательство людей в естественные природные процессы резко возрастет и может способствовать изменению режима грунтовых и подземных вод, структуры почв, изменению микроклимата и т. п.