Билет 1
В буквальном смысле слово «экология» означает «наука о доме» (от греч. «ойкос» – жилище, местообитание). Термин «экология» предложил немецкий зоолог Э. Геккель в XIX веке, но как наука экология возникла в начале ХХ века, а в широкий обиход это слово вошло в 60-х годах, когда стали говорить об экологическом кризисе как кризисе во взаимоотношениях человека со средой его обитания. Как часть биологического цикла, экология – наука о местообитании живых существ, их взаимоотношении с окружающей средой. Экология изучает организацию и функционирование надорганизменных систем различных уровней, вплоть до глобального, т. е. до биосферы в целом.
Предмет экологии разделяется тремя способами. Во-первых, выделяют аутэкологию, которая исследует взаимодействие отдельных организмов и видов со средой, и синэкологию, которая изучает сообщество. Во-вторых, разделение идет по типам сред, или местообитаний, – экология пресных вод, моря, суши, океана. В-третьих, экология разделяется на таксономические ветви – экологию растений, экологию насекомых, экологию позвоночных и т. д., вплоть до экологии человека. Рассматриваются также различные области практического приложения экологии – природные ресурсы, загрязнение среды и т. п.
Основными задачами экологии являются: - постижение законов функционирования и развития биосферы как целостной системы; - изучение реакций компонентов окружающей среды на возмущающие воздействия естественного и антропогенного происхождения; - определение допустимых пределов воздействия человеческой цивилизации на окружающую среду; - разработка концептуальных представлений и рекомендаций относительно путей развития общества, которые гарантировали бы соблюдение пределов воздействия на окружающую среду, существование и развитие последней.
Билет 2
При рассмотрении общих системных принципов мы остановимся пока на трех основных группах.
1. Классификации систем и их свойств. Рассмотрим два крайних типа (структуры) систем:
а) Первый, наиболее простой тип систем можно назвать "дискретным" или "корпускулярным". Это - сочетание в основном однотипных элементов, не связанных между собой, как правило, прямой связью, но объединенных только общим отношением к окружающей среде. Таковы в неживой природе, например, песчинки, которые увлекаются течением реки. Где течение быстрее, там оседают только наиболее крупные и одинаково тяжелые песчинки и образуют мель. Более мелкие оседают в местах более медленного течения. В принципе песчинки однотипны (хотя несколько варьируют), взаимозаменимы, свободно комбинируются. В живой природе организмы одного вида, приспособленные, как правило, к одинаковой внешней среде, и живут поэтому в одной местности. Таковы же клетки одной ткани - эритроциты и даже, например, неподвижные специфические клетки печени. Потеря или гибель части из них компенсируется до некоторого предела оставшимися. Пока этот предел не перейден, система не нарушается. Для одного вида живых организмов такое истребление части из них может быть даже полезным (естественный отбор), причем оставшиеся, более стойкие единицы, на биологическом уровне активнее размножаются и восполняют потери слабых уже лучшими особями. Для этого типа систем характерны свобода комбинирования, полезный отбор более устойчивых форм, взаимная компенсация, создающая сравнительно большую "непотопляемость" системы в целом.
Как видно из приведенных примеров, определенной категории этих систем свойственна высокая организация, но ее эффективность лимитируют слабые звенья. В то же время для активных систем этого типа характерно часто повышение жизнеспособности и за счет сильного звена. Так, небольшой паук каракурт с непрочными органами избегает, как правило, гибели, так как может своим ядом (сильное звено) убить крупное животное - поэтому оно избегает встречи с этим пауком. Суть в том, что противостоящий крупный организм (человек, верблюд) имеет "слабое звено" - поражаемость ядом. Заяц, если он бегает быстрее волка, этим показателем разрушает всю систему охоты хищника и "побеждает" его, сохранив свою жизнь и лишив волка добычи. Этот принцип "сильного звена" активных систем своего рода "перевернутый" принцип "слабого звена", поскольку в ряде случаев он опирается на разрушение "слабого звена" в противостоящей системе. Впрочем, иногда возможны и другие случаи, например, в жизни людей: слабый, болезненный человек получает преимущество за счет какого-либо выдающегося таланта.
Приведем примеры решающего значения "сильного звена" качественно иного типа. В организованной популяции часто преимущество одной особи распространяется на всю популяцию. Так, полезная мутация одной особи, распространившись на весь вид, повышает его жизнестойкость. И еще один пример. Одна самая чуткая птица в стае отдыхающих птиц, услышав раньше других приближение хищника, поднимает вовремя тревогу и спасает всю стаю.
2. Системы с обратной связью
а) Отрицательная обратная связь (+ -). Наиболее простые системы, влияющие количественно (усиление и ослабление). В биологии представление о роли систем с отрицательной обратной связью было теоретически заложено в 1912 г. Н.А.Беловым [5] и изучено экспериментально М.М.Завадовским [15]. Они показали их огромное распространение в организме как стабилизирующего механизма, но оба отрицали возможность существования там обратных положительных связей или двойных отрицательных как дестабилизирующих развитие и функции [*2]. Утверждение о дестабилизации верно. Но в организме есть и такие процессы, и хотя действия их ограничены во времени, однако не менее важны.
б) Обратная положительная связь, естественно, способствует взаимной стимуляции роста органов или усиления какой-либо функции. Первый пример - взаимная стимуляция роста ребенка и увеличения матки во время беременности. Явление временное, но очень важное. Действие обратной положительной связи кончается либо, как в случае родов, разрывом связи, либо, как увидим ниже, исчерпанием ресурсов, участвующих в этом взаимодействии.
в) Обратная связь типа взаимного угнетения (- -). Такой тип связи был обнаружен, например, в опытах Витчи при сращивании боками тритонов различного пола. Мужские железы угнетали своими гормонами женские, а женские угнетали мужские, пока не происходило небольшое отклонение в ту или другую сторону, далее автоматически нараставшее до "победы" одной из сторон (чаще мужской) [59].
Можно резюмировать значение этих связей. Отрицательная обратная связь ведет к устойчивому равновесию или колебаниям вокруг некоторого среднего положения (что мы видим в работах В.Вольтерра (Цитируется по А.Н.Колмогорову [61]), по взаимоотношениям хищника и жертвы в природе). Обратная положительная связь ведет к нарастанию каких-то органов или процессов. Обратная двойная отрицательная связь ведет к неустойчивому равновесию, кончающемуся дифференциацией, т.е. усилением одной стороны и подавлением другой. Подробнее мы это увидим при разборе ряда биологических проблем. Кроме того, возможны и комбинации обратных связей разного рода, что будет видно на конкретных примерах.
3. Возникновение новых функций при объединении элементов в систему. В некоторых, наиболее простых случаях это определяется взаимным дополнением частей в системе. Простой нож состоит из режущей металлической пластинки и ручки, без которой пользоваться ножом почти невозможно. В глазу имеется воспринимающая свет сетчатка и хрусталик. Без хрусталика и выпуклой роговицы сетчатка могла бы только воспринимать свет, но не могла бы воспринимать формы предметов. Хрусталик и роговицы обеспечивают создание изображения на сетчатке, и, таким образом, сетчатка воспринимает уже отчетливые формы предметов и присущую им окраску. По этому же принципу взаимного дополнения в основном построен наш организм, различные механизмы и т.д.
Но есть также большая категория систем, где из вполне однородных элементов, благодаря их расположению, возникают совершенно новые свойства системы.
Для простоты приведем пример из области неживых конструкций. Как создается замкнутое пространство, способное удержать воду или заключенных в него животных? Допустим, мы имеем в нужном количестве разбросанные кирпичи. Мимо них и между ними свободно протекает вода, проходят мелкие животные и т.д. Возьмем отдельный кирпич. Пусть он лежит поперек движения воды или животных. Мы можем условно назвать его длинную сторону "препятствующей", а торцевую - "проходной", поскольку вдоль нее идет движение. Если мы сложим два кирпича торцами, то препятствующие поверхности сложатся, а две проходных из четырех исчезнут. Будем рассматривать всего один ряд кирпичей, так как второй ряд (над первым), третий и т.д. будут такими же. Сложив целый ряд кирпичей, мы получим большую препятствующую поверхность и лишь две небольших проходных. Если мы окружим такой стеной четырехугольное пространство, то сомкнутся и исчезнут последние "проходные" поверхности. Отношение препятствующей поверхности к проходным станет равным отношению некоторой конечной величины к нулю, т.е. будет равно бесконечности. Возникает новое качество системы - полная замкнутость, не допускающая (без специальных дополнений) выхода из системы того, что в нее помещено [36].
Как же возникло здесь новое качество системы? Благодаря сложению одних субэлементов (препятствующих сторон) и взаимному вычитанию других (проходных)[*3]. В более общем случае, вероятно, надо говорить не просто о сложении и вычитании, а о неравномерном взаимодействии разных, неотъемлемых от элементов их свойств (в данном случае субэлементы - поверхности, которые не могут существовать без самих элементов - кирпичей).
Билет 5
В настоящее время, в век научно-технического прогресса, когда у человека появляются неограниченные возможности воздействия на природу, экология приобретает особенно важное значение. Достижения её успешно применяются в сельском и охотничье-промысловом хозяйствах, медицине, ветеринарии, при проведении мероприятий по охране природы, рациональном использовании её ресурсов. В современных условиях экологические исследования играют существенную роль в решении ряда практических задач. Динамика численности организмов, сезонное развитие, расселение и акклиматизация полезных и вредных видов, прогнозы размножения и распространения - вот основные в настоящее время экологические проблемы. Разработка их требует рационального сочетания полевых, лабораторных и экспериментальных исследований |
Предмет изучения экологии настолько широк, что экол. идеи быстро проникли во все отрасли науки и практики. Т. к. особенно уязвимыми и хрупкими оказались прежде всего связи и отношения, то роль экологии в решении важнейших проблем века многократно возросла. Особенность экологии состоит и в том, что ее проблемы естественны для каждого человека. Экология выступает в роли универсального генератора новых идей. Использование экол. подходов и методов в экономике и политике становится важнейшим условием в решении многочисленных глобальных, региональных и локальных проблем. Значительную часть человеческой деятельности составляют экономические проблемы, и поэтому особое значение приобретает экологизация экономической жизни общества. Обеспечение экологически устойчивого развития предполагает формирование такой социально-эколого-экономической системы, которая, отвечая потребностям настоящего времени, не ставит под угрозу возможность будущих поколений удовлетворять свои потребности. С массового осознания экологического императива началась резкая политизация экологических проблем и движений, чему содействовал алармистский настрой первых моделей глобального развития. Реальные угрозы, связанные с изменениями окружающей среды касались всех регионов мира. Для развитых стран наибольшую опасность представляли промышленное загрязнение атмосферы и воды, радиационная опасность от АЭС и испытаний ядерного оружия. А для развивающихся стран были актуальны опустынивание и обезлесение, болезни и голод. Развитые страны Западной Европы и Япония первыми приняли экологическое законодательство. Именно здесь появились "зеленые движения", позже переросшие в партии "зеленых", которые уже в 80х годах вошли в состав некоторых парламентов и в Европарламент. |
Билет 6
С экологической точки зрения среда обитания (окружающая среда) – это природные тела и процессы, с которыми данный организм находится в прямых или косвенных отношениях. Среда обитания характеризуется огромным разнообразием пространственных и временных элементов, условий и явлений, которые рассматриваются в качестве экологических факторов. Таким образом,экологический фактор – это любой элемент, условие или явление окружающей среды, способные оказать прямое или косвенное влияние на живые организмы, хотя бы на протяжении одной из фаз их индивидуального развития.
Экологические факторы классифицируются по нескольким критериям.
Внешние факторы воздействуют на организм, популяцию, экосистему, но не испытывают непосредственного обратного действия: солнечная радиация, атмосферное давление, температура и влажность воздуха, ветер, скорость течения воды, интенсивность заноса питательных веществ или семян, зачатков и особей других видов из других экосистем. В отличие от них внутренние факторысвязаны со свойствами самой экосистемы и образуют ее состав: численность, плотность и структура популяций, пища и ее доступность, концентрации веществ, участвующих в экосистемном круговороте, состав и свойства воздушной, водной, почвенной среды.
Часто важно оценить значимость факторов, выделить главные и второстепенные. Те из них, без которых невозможны жизнь и развитие организма – пища, вода, тепло, свет, кислород, – определяются как императивные факторыили условия существования. Другие, действующие не обязательно постоянно, но влияющие на различные проявления жизнедеятельности и распространение организмов, называют факторами воздействия. Наиболее универсальные условия существования для преобладающего большинства видов живых существ – это наличие жидкой воды, определенных минимумов концентраций биогенных элементов – C, O, H, N, S, P, а также ионов К, Na, Ca,Мg и поток лучистой энергии в диапазоне температур от -50 до + 50 оС.
Наибольшее значение среди экологических факторов имеют суммативные факторы, определяющие численности, биомассы или плотности популяций организмов, а также запасы, концентрации и доступность различных форм вещества и энергии. Подобные факторы называются ресурсами. Например, ресурсы пространства, энергии, света, тепла, влаги, кислорода, минеральной и органической пищи.
Билет 7
Рассматривая воздействие человека на окружающую среду, надо всегда помнить важнейшие экологические постулаты, сформулированные в замечательной книге Тайлера Миллера «Жизнь в окружающей среде».
1. Что бы мы ни делали в природе, все вызывает в ней те или иные последствия, часто непредсказуемые. 2. Все в природе взаимосвязано, и мы живем в ней все вместе. 3. Системы жизнеобеспечения Земли могут выдержать значительное давление и грубые вмешательства, однако всему есть предел. 4. Природа не только более сложна, чем мы о ней думаем, она гораздо сложнее, чем мы можем себе это представить.
Все созданные человеком комплексы (ландшафты) можно разделить на две группы в зависимости от цели их возникновения:
– прямые – созданные целенаправленной деятельностью человека: возделываемые поля, садово-парковые комплексы, водохранилища и т.д., часто их называют культурными; – сопутствующие – не предусматриваемые и обычно нежелательные, которые были активизированы или вызваны к жизни деятельностью человека: болота по берегам водохранилищ, овраги на полях, карьерно-отвальные ландшафты и т.д.
Каждый антропогенный ландшафт имеет свою историю развития, порой весьма сложную и, главное, крайне динамичную. За несколько лет или десятилетий антропогенные ландшафты могут претерпеть такие глубокие изменения, какие естественные ландшафты не испытают за многие тысячи лет. Причина этого – непрерывное вмешательство человека в структуру этих ландшафтов, причем это вмешательство обязательно сказывается и на самом человеке. Вот лишь один пример. В 1955 г., когда девять из каждых десяти жителей Северного Борнео заболели малярией, по рекомендации Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) на острове для борьбы с комарами – переносчиками малярии начали распылять ядохимикат диэлдрин. Болезнь была практически изгнана, но непредвиденные последствия такой борьбы оказались страшными: от диэлдрина погибли не только комары, но и другие насекомые, в частности мухи и тараканы; затем погибли ящерицы, жившие в домах и наевшиеся дохлых насекомых; после этого начали погибать кошки, съевшие мертвых ящериц; без кошек начали быстро размножаться крысы – и людям стала угрожать эпидемия чумы. Из этого положения вышли, сбросив на парашютах здоровых кошек. Но... оказалось, что диэлдрин не подействовал на гусениц, но уничтожил тех насекомых, которые ими питались, и тогда многочисленные гусеницы стали поедать не только листья деревьев, но и листья, служившие кровлей для крыш, в результате начали рушиться крыши.
Антропогенные изменения в окружающей среде весьма разнообразны. Непосредственно воздействуя лишь на один из компонентов среды, человек может опосредованно изменять и остальные. И в первом, и во втором случае происходит нарушение круговорота веществ в природном комплексе, и с этой точки зрения результаты воздействия на среду можно отнести к нескольким группам.
К первой группе относят воздействия, приводящие только к изменению концентрации химических элементов и их соединений без изменения формы самого вещества. Например, в результате выбросов от автомобильного транспорта концентрация свинца и цинка возрастает в воздухе, почве, воде и растениях, во много раз превышая обычное их содержание. В этом случае количественная оценка воздействия выражается в массе загрязняющих веществ.
Вторая группа – воздействия приводят не только к количественным, но и качественным изменениям форм нахождения элементов (в пределах отдельных антропогенных ландшафтов). Такие преобразования часто наблюдаются при разработке месторождений, когда многие элементы руд, в том числе токсичные тяжелые металлы, переходят из минеральной формы в водные растворы. При этом их суммарное содержание в пределах комплекса не меняется, но они становятся более доступными для растительных и животных организмов. Другой пример – изменения, связанные с переходом элементов из биогенной формы в абиогенную. Так, человек при рубке лесов, вырубая гектар соснового леса, а затем сжигая его, переводит из биогенной формы в минеральную около 100 кг калия, 300 кг азота и кальция, 30 кг алюминия, магния, натрия и др.
Третья группа – формирование техногенных соединений и элементов, не имеющих аналогов в природе или не характерных для данной местности. Таких изменений с каждым годом становится все больше. Это появление фреона в атмосфере, пластмасс в почвах и водах, оружейного плутония, цезия в морях, повсеместное накопление плохо разлагающихся пестицидов и т.д. Всего в мире повседневно используется около 70 000 различных синтетических химических веществ. Каждый год к ним добавляется около 1500 новых. Следует учесть, что о воздействии на окружающую среду большинства из них известно мало, но по крайней мере половина из них вредны или потенциально вредны для здоровья человека.
Четвертая группа – механическое перемещение значительных масс элементов без существенного преобразования форм их нахождения. Пример – перемещение масс породы при разработке месторождений как открытым, так и подземным способом. Следы карьеров, подземных пустот и терриконов (холмов с крутыми склонами, образованных перемещенными из шахт отработанными пустыми породами) будут существовать на Земле многие тысячи лет. К этой же группе относятся и перемещения значительных масс почв при пыльных бурях антропогенного происхождения (одна пыльная буря способна перенести около 25 км3 почвы).
Анализируя результаты деятельности человека, следует учитывать и состояние самого природного комплекса, его устойчивость к воздействиям. Понятие устойчивости – одно из самых сложных и спорных понятий в географии. Любой природный комплекс характеризуется определенными параметрами, свойствами (один из них, к примеру, – количество биомассы). Каждый параметр имеет пороговое значение – такое количество, при достижении которого происходят изменения качественного состояния компонентов. Эти пороги практически не изучены и часто, прогнозируя будущие изменения природных комплексов под влиянием той или иной деятельности, нельзя указать конкретные масштабы и точные временные рамки этих изменений. Каковы же реальные масштабы современного антропогенного влияния? Вот несколько цифр. Ежегодно из недр Земли извлекают свыше 100 млрд т полезных ископаемых; выплавляют 800 млн т различных металлов; производят более 60 млн т не известных в природе синтетических материалов; вносят в почвы сельскохозяйственных угодий свыше 500 млн т минеральных удобрений и примерно 3 млн т различных ядохимикатов, 1/3 которых поступает с поверхностными стоками в водоемы или задерживается в атмосфере (при рассеивании с самолетов). Для своих нужд человек использует более 13% речного стока и сбрасывает в водоемы ежегодно более 500 млрд м3 промышленных и коммунальных стоков. Перечисление можно продолжить, но и изложенного достаточно, чтобы осознать глобальность влияния человека на среду, а значит, и глобальность возникающих в связи с этим проблем.
Билет 8
По природе источников и характеру действия факторы среды разделяют на абиотические и биотические и антропогенные.
Абиотические факторы – это факторы неорганической (неживой) природы. К ним относят, прежде всего, климатические (солнечный свет, температура, влажность, осадки, газовый состав и движение воздуха, атмосферное давление),гидрологические (плотность, прозрачность, температура и кислотность воды, течение, содержание минеральных и органических веществ, газовый состав),почвенные (механическая структура, минеральный и органический состав, кислотность, влажность, температура и газовый состав), топографические (высота над уровнем моря, рельеф, экспозиция и крутизна склона), огонь. К абиотическим факторам относят также физические поля (гравитационное, магнитное, электромагнитное), ионизирующую и проникающую радиацию, движение сред (акустические колебания, волны, ветер, течения, приливы), суточные и сезонные изменения в природе и другие внешние факиры периодичности или цикличности. Многие абиотические факторы имеют скалярное или векторное выражение, они могут быть охарактеризованы количественно и поддаются объективному измерению. Эти факторы могут влиять на организм непосредственно, как свет или тепло, либо косвенно, как, например, рельеф, который обусловливает действие непосредственных факторов – освещённости, увлажнения, ветра и т.п.
Биотические факторы – это прямые или опосредованные воздействия других организмов, населяющих среду обитания данного организма. Все биотические факторы обусловлены внутривидовыми (внутрипопуляционными) и межвидовыми (межпопуляционными) взаимодействиями. Внутривидовые факторы – это контакты между членами семьи, группы, стада, популяции одного вида – отношения полов, размножение, уход за потомством, взаимопомощь и защита или, наоборот, возникновение внутривидовой конкуренции, отношенийдоминирования и подчинения, иерархии в стаде или в популяции. Межвидовые факторы – этоконтакты между особями и популяциями разных видов. Взаимоотношения между организмами сложнее абиотических воздействий.
Выделяют следующие формы биотических отношений: конкуренция, хищничество, паразитизм, аменсализм, симбиоз, комменсализм, нейтрализм и др.Рассмотрим характерные особенности этих отношений.
Билет 9
Каждый живой организм может нормально существовать и продолжать свой род только в определенной области значений какого-либо из значимых факторов среды. Для нормального существования растений, животных и человека существуют и нижние, и верхние пределы температуры, освещенности, концентрации кислорода в воздухе, атмосферного давления и других факторов, а также оптимальные значения этих факторов.
Область количественных значений какого-либо фактора среды, в пределах которой могут существовать представители данного вида или популяции организмов, называют экологической валентностью, пластичностью илизоной толерантности.Эта зона ограничена крайними, экстремальными для организма или популяции значениями фактора, за пределами которых уже невозможно нормальное осуществление всех жизненных функций. Чем выше степень приспособляемости организма к условиям среды существования, тем выше пластичность данного вида. Например, воробей более пластичный вид, чем соловей.
Об экологической валентности судят по разным проявлениям жизнедеятельности, которые выступают в качестве функций отклика на действие фактора и оценивают его степень благоприятности. Для отдельного организма это может быть скорость роста и развития, активность, интенсивность обмена веществ; для популяции – в первую очередь выживаемость и реализованная численность, или плотность.
Абиотические факторы - это свойства неживой природы, которые прямо или косвенно влияют на живые организмы.
Температура является наиболее важным климатическим фактором. От нее зависит интенсивность обмена веществ организмов и их географическое распространение. Любой организм способен жить в пределах определенного диапазона температур. И хотя для разных видов организмов (эвритермных и стенотермных) эти интервалы различны, для большинства из них зона оптимальных температур, при кото-рых жизненные функции осуществляются наиболее активно и эффективно, сравнительно невелика. Диапазон температур, в которых может существовать жизнь, составляет примерно 300 С : от -200 до +100 ЬС. Но большинство видов и большая часть активности приурочены к еще более узкому диапазону температур. Определенные организмы, особенно в стадии покоя, могут существовать по крайней мере некоторое время, при очень низких температурах. Отдельные виды микроорганизмов, главным образом бактерии и водоросли, способны жить и размножаться при температурах, близких к точке кипения. Верхний предел для бактерий горячих источников составляет 88 С, для сине-зеленых водорослей - 80 С, а для самых устойчивых рыб и насекомых - около 50 С. Как правило, верхние предельные значения фактора оказываются более критическими, чем нижние, хотя многие организмы вблизи верхних пределов диапазона толерантности функционируют более эффективно.
У водных животных диапазон толерантности к температуре обычно более узок по сравнению с наземными животными, так как диапазон колебаний температуры в воде меньше, чем на суше.
Таким образом, температура является важным и очень часто лимитирующим фактором. Температурные ритмы в значительной степени контролируют сезонную и суточную активность растений и животных.
Количество осадков и влажность - основные величины, измеряемые при изучении этого фактора. Количество осадков зависит в основном от путей и характера больших перемещений воздушных масс. Например, ветры, дующие с океана, оставляют большую часть влаги на обращенных к океану склонах, в результате чего за горами остается "дождевая тень", способствующая формированию пустыни. Двигаясь в глубь суши, воздух аккумулирует некоторое количество влаги, и количество осадков опять увеличивается. Пустыни, как правило, расположены за высокими горными хребтами или вдоль тех берегов, где ветры дуют из обширных внутренних сухих районов, а не с океана, например, пустыня Нами в Юго-Западной Африке. Распределение осадков по временам года - крайне важный лимитирующий фактор для организмов.
Влажность - параметр, характеризующий содержание водяного пара в воздухе. Абсолютной влажностью называют количество водяного пара в единице объема воздуха. В связи с зависимостью количества пара, удерживаемого воздухом, от температуры и давления, введено понятие относительной влажности - это отношение пара, содержащегося в воздухе, к насыщающему пару при данных температуре и давлении. Так как в природе существуют суточный ритм влажности - повышение ночью и снижение днем, и колебание ее по вертикали и горизонтали, этот фактор наряду со светом и температурой играет важную роль в регулировании активности организмов. Доступный живым организмам запас поверхностной воды зависит от количества осадков в данном районе, но эти величины не всегда совпадают. Так, пользуясь подземными источниками, куда вода поступает из других районов, животные и растения могут получать больше воды, чем от поступления ее с осадками. И наоборот, дождевая вода иногда сразу же становится недоступной для организмов.
Излучение Солнца представляет собой электромагнитные волны различной длины. Оно совершенно необходимо живой природе, так как является основным внешним источником энергии. Надо иметь в виду то, что спектр электромагнитного излучения Солнца весьма широк и его частотные диапазоны различным образом воздействуют на живое вещество.
Для живого вещества важны качественные признаки света - длина волны, интенсивность и продолжительность воздействия.
Ионизирующее излучение выбивает электроны из атомов и присоединяет их к другим атомам с образованием пар положительных и отрицательных ионов. Его источником служат радиоактивные вещества, содержащиеся в горных породах, кроме того, оно поступает из космоса.
Разные виды живых организмов сильно отличаются по своим способностям выдерживать большие дозы радиационного облучения. Как показывают данные большей части исследований, наиболее чувствительны к облучению быстро делящиеся клетки.
У высших растений чувствительность к ионизирующему излучению прямо пропорциональна размеру клеточного ядра, а точнее объему хромосом или содержанию ДНК.
Газовый состав атмосферы также является важным климатическим фактором. Примерно 3-3,5 млрд лет назад атмосфера содержала азот, аммиак, водород, метан и водяной пар, а свободный ки-слород в ней отсутствовал. Состав атмосферы в значительной степени определялся вулканическими газами. Из-за отсутствия кислорода не существовало озонового экрана, задерживающего ультрафиолетовое излучение Солнца. С течением времени за счет абиотических процессов в атмосфере планеты стал накапливаться кислород, началось формирование озонового слоя.
Ветер способен даже изменять внешний вид растений, особенно в тех местообитаниях, например в альпийских зонах, где лимитирующее воздействие оказывают другие факторы. Экспериментально показано, что в открытых горных местообитаниях ветер лимитирует рост растений: когда построили стену, защищавшую растения от ветра, высота растений увеличилась. Большое значение имеют бури, хотя их действие сугубо локально. Ураганы и обычные ветры способны переносить животных и растения на большие расстояния и тем самым изменять состав сообществ.
Атмосферное давление, по-видимому, не является лимитирующим фактором непосредственного действия, однако оно имеет прямое отношение к погоде и климату, которые оказывают непосредственное лимитирующее воздействие.
Билет 1оПонятие об экологической нише.
Любой живой организм адаптирован к вполне определённым параметрам окружающей среды. Изменение этих параметров может вызвать укрепление жизнедеятельности или гибель организма.
Экологическая ниша – это совокупность множества параметров среды, определяющих условие существования того или иного вида и его функциональные характеристики, такие как передача энергии и обмен информации.
Таким образом, экологическая ниша определяет не только положение вида в пространстве, но и его функциональную роль в сообществе, а также его положение относительно абиотических факторов.
Моделью экологической ниши является часть многомерного пространства экологических факторов. Рассмотрим вид живых организмов, существование которых зависит от температуры, давления и влажности.
T1≤T≤T2
P1≤P≤P2
V1≤V≤V2
Моделью экологической ниши является параллелепипед в трехмерном (3D) пространстве (рис. №1).
Допустим, что один из параметров вышел из экологической ниши: например T>T2, тогда возможны два варианта:
Вид приспособится к новым условиям существования и его экологическая ниша станет больше.
Вид не сможет приспособиться и погибнет, а его экологическую нишу займёт другой вид.
Билет 12
Популяция (от лат. - население) – это совокупность особей одного вида, длительно населяющих определённое пространство, имеющих общий генофонд, возможность свободно скрещиваться и в той или иной степени изолированных от других популяций этого вида. Популяция является элементарной формой существования вида в природе. Популяции эволюционируют и являются единицами эволюции видов и видообразования. Обладая всеми признаками биологической системы, популяция, тем не менее, представляет собой совокупность организмов, как бы выделенную из природной системы, так как в природе особи одного вида всегда сожительствуют с особями других видов. Основными характеристиками популяции являются численность, плотность, рождаемость, смертность, возрастной состав, распределение по занимаемой территории и тип роста.
Численность популяций различна у разных видов и не может быть ниже некоторых пределов, ниже которых наступает вымирание популяции.
Плотность популяции определяется числом особей, приходящихся на единицу занимаемой площади или объёма. Каждому виду присуща определённая плотность, отклонения от которой также отрицательно сказывается на жизнедеятельности особей.
Рождаемость и смертность – это количество родившихся и погибших особей за определённый период. Эти показатели во многом определяются биологией вида, обеспеченностью кормом, климатическими условиями.
Возрастной состав имеет большое значение для существования популяции. При благоприятных условиях в популяции присутствуют все возрастные группы и их соотношение поддерживается на более или менее стабильном уровне. В быстро растущих популяциях доминируют интенсивно размножающиеся молодые особи, а в сокращающихся – старые, уже не способные к интенсивному размножению.
Характер распределения особей по территории может быть равномерным, скученным или случайным.
Изменение численности и плотности популяций имеют особенности для каждого вида и определяются как состоянием окружающей среды, так и закономерностями взаимоотношений между организмами, т. е. совокупностью абиотических и биотических факторов. Численность и плотность популяций не остается постоянной и колеблется в более или менее широких пределах. Значение закономерностей динамики численности и плотности популяций имеет важное значение для прогнозирования возможных нежелательных явлений.
Соотношение показателей рождаемости и смертности в популяции определяет баланс популяции. Если рождаемость выше чем смертность, то популяция числено растёт, и наоборот. Однако на практике для экологов более важны не сами количественные изменения популяций, а их скорость.
Под рождаемостью (Р) понимают числено выраженную способность популяции к увеличению. Рождаемость может быть лишь положительной или нулевой величиной, но не может быть величиной отрицательной. Однако скорость роста популяции может быть любой. Смертность (С) популяции выражают количеством особей, погибших за определённый срок.
Долю особей в популяции, доживших до определенного момента времени или до возраста размножения, называют выживаемостью популяции.
Теоретическая скорость естественного роста популяции в неограниченной какими-либо факторами среде характеризуется экспоненциальным законом роста:
где N0 и Nt – начальное и определённое в момент t – число особей в популяции; r = Р – C – прирост численности популяции.
Ясно, что идеальный закон в реальных условиях не выполним и беспредельный рост популяции невозможен. Всегда существуют некоторые значения предельно низкой (M) и предельно высокой (K) численности или плотности популяции. Практически возможны два варианта динамики популяции.
Динамика популяций - это процессы изменения основных биологических показателей во времени в зависимости от экологических факторов. Считается, что биотический потенциал практически любого, из живущих на Земле видов достаточен, чтобы заселить всю планету при достатке пищи, воды, пространства, постоянстве условий среды и отсутствии хищников. Эта идея была выдвинута в 1798 г. английским демографом и экономистом Томасом Р. Мальтусом (1766 - 1834), в труде «О законе роста народонаселения», установившим, что численность популяции человека растёт по экспоненте (в геометрической прогрессии). Соответствующая математическая модель носит название "модель Мальтуса" или модель экспоненциального роста. Такая модель основана на допущении, что рост популяции не зависит от её плотности – то есть перенаселение пространства невозможно.
. Типы динамики численности популяций: 1) стабильный тип динамики численности (небольшие колебания хорошо адаптированных к среде популяций. Период колебаний 10-20 лет); 2) лабильный тип динамики численности (с периодом колебаний 5-11 лет); 3) эфемерный тип (резкие частые колебания за период 4-5 лет).
К стабильному типу динамики численности принадлежат крупные и долгоживущие животные с небольшим количеством потомков и низкой ежегодной смертностью: киты и дельфины, человекообразные обезьяны, орлы, некоторые рептилии, крупные копытные и другие животные. Лабильный тип динамики характерен для животных, доживающих до 10 – 15 лет, с более высокой плодовитостью и смертностью: крупные грызуны, зайцеобразные, некоторые хищники, многие птицы, насекомые с длинным циклом развития. Эфемерный тип характерен для короткоживущих (до 3-х лет) плодовитых животных с высокой степенью гибели: мелкие грызуны, насекомые и другие.
Билет 13
В реальных сообществах всегда существует ограниченность ресурсов. Емкость экологической ниши (К) – это максимально возможная численность популяции в данных условиях. Биотический потенциал и экспоненциальный рост численности.
Все живые организмы теоретически способны к очень быстрому увеличению численности. При неограниченных ресурсах и отсутствии гибели от болезней, хищников даже при низкой исходной численности популяции любого вида за сравнительно короткий промежуток времени может так вырасти, что покроет весь земной шар сплошным слоем, способность к увеличению численности за данный промежуток времени называют биотическим потенциалом вида. У разных видов биотический потенциал резко различается. У крупных животных численность может возрастать в 1,05 -1,1 раза в год, у мелких насекомых и ракообразных в 1010 - 1030 раз. В идеальных условиях численность растет в геометрической прогрессии, такой рост называется экспоненциальным ростом. Величина изменения численности за единицу времени называется абсолютной скоростью роста, эта величина пропорциональна численности особей. Удельная скорость роста численности - это скорость прироста на душу населения, эта величина и отражает биотический потенциал. Экспоненциальный рост реально наблюдается в условиях избытка ресурсов (пищи, места для размножения), когда популяция не испытывает воздействия неблагоприятных факторов. ^ Рост численности при ограниченных ресурсах. Емкость среды. По мере увеличения плотности популяции рост численности популяции замедлятся, так как условия для роста и размножения особей становятся менее благоприятными. По мере ухудшения условий удельная скорость роста снижается, и при некоторой плотности численность популяции перестает расти. Эту предельную плотность, которой может достигнуть популяция в данных условиях, называют емкостью среды. Емкость зависит от наличия ресурсов для данного вида. При плотности популяции равной емкости среды, скорость потребления ресурсов равна скорости их возобновления. Если плотность становится больше емкости среды, то ресурсов становится слишком мало, в популяции возрастает смертность или резко снижается рождаемость, и ее плотность начинает понижаться. Если рост популяции ограничен ресурсами, то после достижения емкости среды численность популяции колеблется возле некоторого среднего уровня
Билет 14
К важнейшим биотическим факторам, определяющим регуляцию численности равновесных популяций, относят:
Внутривидовая конкуренция.
Межвидовая конкуренция.
Сложные поведенческие и физиологические механизмы.
Перестройка генетической структуры популяции.
Конкуренция - совокупность взаимоотношений между особями одного и того же вида (внутривидовая) или разных видов (межвидовая конкуренция), соревнующихся за одни и те же ресурсы среды при недостатке последних.
Наиболее острая внутривидовая конкуренция проявляется между наиболее сходными особями вида. Благодаря ей происходит сохранение в каждом поколении особей, наиболее отличающихся друг от друга.
Причинами возникновения внутривидовой конкуренции являются: 1. Неблагоприятные условия среды. 2. Переуплотнение популяции, обуславливающее недостаток какого-либо ресурса.
Регулирующая роль внутривидовой конкуренции проявляется следующими способами:
эмиграция особей
высокая смертность особей в раннем возрасте
изменение плодовитости особей
внутривидовое хищничество (каннибализм) - поедание особей своего вида. К каннибализму наиболее склонны самки, его объектами могут быть как родственные, так и неродственные особи. Примеры: 1) поедание самками богомола и каракурта своих самцов после спаривания; 2) съедание личинками наездника своих собратьев в теле хозяина, так как там может прокормиться только один; 3) самец американской саламандры поедает часть яиц из охраняемой им кладки.
Межвидовая конкуренция возникает между особями экологияески близких видов. Может быть пассивной и проявляться в потреблении ресурсов внешней среды, необходимых обоим видам, и активной, связанной с подавлением одного вида другим.
Хищничество также является фактором, ограничивающим численность популяции. Высокая численность популяции жертвы способствует росту популяции хищника. С другой стороны, влияние хищника на популяцию жертвы проявляется также в уничтожении больных животных и улучшении среднего качественного состава популяции жертвы. Если биотический потенциал хищника выше биотического потенциала жертвы, то хищник способен регулировать численность популяции жертвы. В противном случае хищник не может регулировать численность жертвы.
Некоторые поведенческие механизмы регуляции численности популяции направлены на предотвращение межвидовой и внутривидовой конкуренции. Изменение плотности популяции может иметь сигнальное или рефлекторное действие. Такая сигнализация имеет химическую природу (например, у земноводных крыс) и в случае высокой численности популяции приводит к ее снижению, при малой - к увеличению.
Эффект массы. Возникает при чрезмерном увеличении численности популяции и заключается в явлениях социального стресса, действующего на эндокринную систему и приводящего к снижению рождаемости, увеличению смертности и эмиграции особей.
Эффект группы. Возникает при объединении особей в группы внутри популяции, что обеспечивает ее нормальное функционирование и развитие. Группам присущи все черты популяции, но они характеризуются более высокой степенью объединения и способностью к саморегуляции численности.
Современная концепция автоматического регулирования численности популяции учитывает 2 явления: модификация (случайные колебания численности); регуляция (действующая по принципу обратной связи и устраняющая колебания численности).
Различают 2 группы экологических факторов:
Модифицирующие экологические факторы - факторы, не зависящие от плотности популяции и воздействующие на организмы или непосредственно, или через изменение других элементов биоценоза (например, абиотические факторы)
Регулирующие экологические факторы - зависят от плотности популяции и связаны со способностью живых организмов реагировать на плотность своей популяции и популяций других видов по принципу отрицательной обратной связи (например, биотические)
Сообщество организмов и физическая среда развиваются и функционируют как единое целое. Популяции и экосистемы имеют кибернетическую природу и характеризуются развитыми информационными сетями, состоящими из потоков физических и химических сигналов, связывающих все их части в единое целое. Эти потоки управляют системой. Компоненты в них связаны в информационные сети не непосредственно, а физическими и химическими «посредниками» подобно тому, как гормоны гуморальной системы связывают в одно целое части организма.
Управление основано на обратной связи, когда часть сигналов с выхода поступает на вход. Если обратная связь положительна, то значение выхода управляемой системы возрастает. Положительная обратная связь усиливает положительные отклонения и в значительной степени определяет рост и выживание организмов, хотя может приводить и к «расшатыванию» системы и нарушению равновесия. Для того чтобы осуществлять контроль, необходима отрицательная обратная связь, которая помогает, например, избегать перегрева, перепроизводства или перенаселения. Отрицательная обратная связь уменьшает отклонения на входе.
Устройства для управления с помощью обратной связи в технике называют сервомеханизмами. Для живых систем используют термин «гомеостатические механизмы», или «гомеостаз».
Гомеостаз – это способность популяции или экосистемы поддерживать устойчивое динамическое равновесие в изменяющихся условиях среды. В основе гомеостаза лежит принцип обратной связи. В отличие от созданных человеком кибернетических устройств, управляющие функции природных систем находятся внутри них, а поддержание гомеостаза происходит за счет саморегуляции. Гомеостатические механизмы функционируют в определенных пределах, обозначенных внешними или внутренними лимитирующими факторами. Для популяции поддержание гомеостаза имеет первостепенное значение.
Механизмы популяционного гомеостаза включают поддержание определенной пространственной структуры (благодаря особенностям социальных отношений и характеру использования территории), поддержание генетической структуры (через богатство генома популяции и геномов каждой особи) и регуляцию плотности населения (без которой невозможно оптимальное использование территории)
Поскольку деятельность человека приводит к сокращению численности популяций многих видов, понимание механизмов регуляции численности чрезвычайно важно для гармоничного взаимодействия человека с природными системами. Рациональное природопользование и создание охраняемых природных территорий можно считать попытками регулирования численности популяции некоторых видов. К сожалению, они приводят лишь к снижению скорости деградации природных систем, но не компенсируют всего негативного воздействия на них.
Билет 15
Приспособления особей в популяции в конечном счете направлены на повышение вероятности выживания и оставление потомства. Среди приспособлений выделяется комплекс, называемый экологической стратегией. Экологическая стратегия популяции — это ее общая характеристика роста и размножения. Сюда входят темпы роста ее особей, время достижения поло-возрелости, плодовитость, периодичность размножения и т. д.