Текст книги "Экология. Шпаргалка"

17. Человек как биологический вид. Его экологическая ниша

Человек – один из видов животного царства со сложной социальной организацией и трудовой деятельностью, в значительной мере «снимающими» (делающими малозаметными) биологические, в том числе этологические (первично поведенческие) свойства организма (Н. Ф. Реймерс, 1990 г.).

Человек является составной частью живого и не может существовать в естественных условиях вне биосферы.

В процессе эволюции на Земле существовали несколько видов гоминид, из которых сохранился только один вид – человек разумный (Homo sapiens). Отсюда можно сделать вывод, что человек, как и любой биологический вид, преходящ и не является конечным результатом эволюции.

Как любой вид, человек зависит от окружающей среды и воздействует на нее. Однако в отличие от животных человек обладает интеллектом, который помог решить проблему нехватки пищевых ресурсов (один из основных лимитирующих факторов) путем развития сельского хозяйства (скотоводства и земледелия). Человек создал собственную экосистему – урбо-систему.

Способность человека мыслить и создание им орудий труда позволили временно преодолеть действие абиотических и биотических факторов. Однако, несмотря на это, человек так и остается зависимым от климатических явлений, таких как холод, жара, дождь, засуха, землетрясения и многие другие.

Генетическая программа, созданная в процессе становления вида человека, определяет его как биологический вид. На наследственность человека влияют такие же генетические процессы, как и на наследственность всех животных: мутации, миграция и дрейф генов, естественный отбор.

Известно, что движущей силой эволюции является естественный отбор, влияние которого человеку удалось снизить благодаря созданию урбосистем, социальным преобразованиям и развитию медицины. Но человек даже в городской среде не изолирован от природы. Например, отмечено формирование зональных адаптационных типов человека: арктического, умеренного, континентального, высокогорного, пустынного, тропического. Таким образом, человек занял широчайшую экологическую нишу в отличие от животных.

В городской среде к основным экологическим факторам добавляются десинхроноз, электромагнитные поля, транспортная усталость, симбиотическая бактериально-вирусная флора и др.

Популяция человека обладает такими же свойствами, что и популяции животных, однако форма и характер их проявлений отличаются в результате действия искусственной среды, социально-экономических условий и прочего, т. е. социума. Рост популяции человека ограничен природными ресурсами, условиями жизни, социально-экономическими и генетическими процессами.

18. Антропогенное загрязнение атмосферы и его экологические последствия

Можно выделить следующие основные источники загрязнения атмосферы человеком.

1. Тепловые и атомные электростанции.

В результате сжигания жидкого и твердого топлива в атмосферу выделяется дым, в котором содержатся оксиды углерода, серы, азота и прочее (например, ТЭС мощностью 2,4 млн кВт расходует в сутки около 20 тыс. т угля и выбрасывает в атмосферу 680 т диоксида и триоксида серы, 140 т золы и пыли, 200 т оксидов азота. АЭС загрязняют воздух радиоактивным йодом, радиоактивными инертными газами и аэрозолями).

2. Черная и цветная металлургия. Например, при выплавке 1 т стали в атмосферу выбрасывается 0,04 т твердых веществ, 0,03 т оксидов серы и примерно 0,05 т оксида углерода, а также свинец, фосфор, мышьяк, пары ртути и др.

3. Химическое производство. Выбросы данной отрасли по объему не очень велики, однако вследствие высокой токсичности и концентрированности опасны для человека, животных и растительных организмов. Химические производства выделяют в атмосферу соединения фтора и хлора, оксиды серы, аммиак, нитрозные газы, сероводород и пр.

4. Выбросы автотранспорта. В настоящее время насчитывается несколько сот миллионов автомобилей, которые сжигают большое количество нефтепродуктов и выделяют такие токсичные соединения как бензапирен, альдегиды, оксиды азота, углерода и свинца.

Физиологическое воздействие на организм человека загрязнителей, или поллютантов,

грозит серьезными последствиями (например, при соединении диоксида серы с водяными парами воздуха образуется серная кислота, разрушающая легочную ткань человека и животных). Содержащая диоксид кремния пыль вызывает тяжелое заболевание легких – силикоз, а оксиды азота, помимо разъедания слизистых оболочек глаз и легких, образуют ядовитые туманы. Оксид углерода, находящийся в атмосферном воздухе представляет опасность для людей, страдающих различными сердечно-сосудистыми заболеваниями.

Антропогенные выбросы загрязняющих веществ наносят вред не только самому человеку, но и животным, растениям и экосистемам в целом. При выбросах токсичных веществ высокой концентрации наблюдались массовые отравления диких животных, птиц и насекомых. Поражение животных происходит через органы дыхания и при поедании растений, содержащих вредные соединения. В растительные организмы ядовитые вещества попадают через устьица в ткани или из почвы в корневую систему.

Газообразные загрязняющие вещества могут по-разному влиять на растительность (например, окись углерода и этилен слабо повреждают листья и побеги, хлор, пары ртути, аммиак полностью уничтожают растения). Но особенно опасным для растений является диоксид серы, от которого погибают многие деревья.

19. Понятие «экосистема». Структура экосистемы

«Любая единица (биосистема), включающая все совместно функционирующие организмы (биотическое сообщество) на данном участке и взаимодействующая с физической средой таким образом, что поток энергии создает четко определенные биотические структуры и круговорот веществ между живой и неживой частями, представляет собой экологическую систему, или экосистему» (Ю. Одум, 1986 г.).

В связи с тем что к экосистемам можно отнести биотические сообщества любого масштаба, выделяют:

1) микроэкосистемы (например, ствол гниющего дерева);

2) мезоэкосистемы (лес, озеро и др.);

3) макроэкосистемы (океан).

Глобальной экологической системой является биосфера Земли.

Общая структура экосистем. Экосистемы состоят из биотического (живого) и абиотического (неживого) факторов. Совокупность живых организмов биотического фактора называется сообществом. Исследование экологических систем включает изучение и описание взаимосвязей между сообществом и абиотическими факторами. Биотический фактор представлен автотрофами (самостоятельно синтезируют необходимые им органические вещества) и гетеротрофами (нуждаются в источнике готового органического вещества) организмами, абиотический – включает в себя эдафические или почвенные, климатические, топографические и другие физические факторы, включая воздействие волн, морских течений, огня. Несмотря на то, что почву относят к абиотическим факторам, она все же является промежуточным звеном между биотическими и абиотическими факторами. В состав почвы входят четыре важных структурных компонента: минеральная основа (50–60 % от общего состава почвы), органическое вещество (до 10 %), воздух (от 15 до 25 %) и вода (25–35 %).

Главные климатические переменные экосистем – свет, температура, влажность, соленость и атмосфера (ветер, давление). Следует отметить, что климатические условия в каком-либо местообитании могут быть отличными от условий окружающей области, тогда их называют микроклиматом.

Основные топографические характеристики – высота, экспозиция и крутизна склона.

Трофическая структура экосистемы делится на следующие ярусы:

1) верхний или автотрофный (самостоятельно питающийся) ярус, или «зеленый пояс», включающий растения или их части, содержащие хлорофилл, где преобладают такие процессы, как фиксация энергии света, использование простых неорганических соединений и накопление сложных органических соединений;

2) нижний или гетеротрофный (питаемый другими) ярус, или «коричневый пояс» почвы и осадков, разлагающихся веществ, корней и т. п., в котором преобладают процессы использования, трансформации и разложения сложных соединений.

20. Экосистемы как хорологические единицы биосферы

В основе классификации природных систем биосферы лежит ландшафт, так как экосистемы являются частью географических ландшафтов, образующих географическую оболочку планеты. Экосистемы также образуют биогеосферу, или «биогеоценотический покров» (по В. Н. Сукачеву).

Биогеоценотический покров – ряд природных экосистем, представляющих собой хорологические ил и пространственные единицы биосферы, совпадающие своими границами с ландшафтными элементами географической оболочки Земли.

Ю. Одум при характеристике экологических систем как хорологических единиц биосферы использовал классификацию, базирующуюся на биомном подходе.

«Биом – крупная региональная и субконтинентальная экосистема, характеризующаяся каким-либо основным типом растительности или другой характерной особенностью ландшафта» (Ю. Одум, 1986 г.). Биом имеет такой же состав, как и ландшафт, но главным его компонентом является биота – исторически сложившаяся совокупность флоры и фауны определенной территории. Однако термины «флора» и «фауна» применяются и в более широком смысле (например, флора микроорганизмов или фауна млекопитающих).

Термин «биота» используют при оценке взаимодействия всех живых организмов и окружающей их среды. Каждый наземный биом характеризуется определенной климатической растительностью (деревьями, кустарниками, травами и др.), с которой связаны определенные формы животных, пресноводные экосистемы подразделяются по подвижности воды и также характеризуются свойственными только им животными и водными растениями, морские биомы различаются по глубине, солености и температуре воды.

Классификация природных экосистем биосферы, по Ю. Одуму.

1. Наземные биомы:

1) тундра: арктическая и альпийская;

2) бореальные хвойные леса;

3) листопадный лес умеренной зоны;

4) степень умеренной зоны;

5) тропические зоны и саванны;

6) чапарраль (районы с дождливой зимой и засушливым летом);

7) пустыня: травянистая и кустарниковая;

8) полувечнозеленый тропический лес (выраженный влажный и сухой сезоны);

9) вечнозеленый тропический дождевой лес.

2. Пресноводные экосистемы:

1) лентические: озера и пруды (стоячие воды);

2) лотические: реки, ручьи и родники (текучие воды);

3) заболоченные угодья (участки с колеблющимся уровнем по сезонам и годам): болота и болотистые леса.

3. Морские экосистемы:

1) открытый океан;

2) воды континентального шельфа или прибрежные воды;

3) районы апвелл инга (процесс подъема холодных воде глубины океана, обогащенных биогенами и опускания верхних слоев воды в глубину под действием ветра) или плодородные районы с продуктивным рыболовством;

4) эстуарии или прибрежные проливы, бухты и др.

21. Составные компоненты экологических систем

Экологическая система, способная к самостоятельному функционированию, состоит из двух биологических компонентов: продуцентов и сапротрофов, между которыми может включаться цепь консументов.

Первичные продуценты – автотрофные организмы, переводящие неорганические элементы в форму органических соединений и таким образом способствуют их подъему на более высокий уровень. В основном это зеленые растения, некоторые прокариоты, а именно сине-зеленые водоросли и малочисленные виды бактерий. Растения преобразуют солнечную энергию (энергию света) путем фотосинтеза в химическую энергию, заключенную в органических молекулах, участвующих в построении тканей.

Продукцию органического вещества также осуществляют и хемосинтезирующие бактерии, которые извлекают энергию из неорганических соединений.

В водных экосистемах продуцентами являются водоросли, представленные обычно одноклеточными организмами, входящие в состав фитопланктона поверхностных слоев океанов и озер.

В наземных экосистемах значительную часть первичной продукции образуют высокоорганизованные формы – голосеменные и покрытосеменные, формирующие леса и луга.

Консументы, или потребители, – гетеротрофные организмы, питающиеся непосредственно или посредством других организмов органическим веществом, синтезированным первичными продуцентами, т. е. первичные консументы питаются первичными продуцентами, (например, травоядные животные). На суше к травоядным относятся многие насекомые, птицы, рептилии и млекопитающие. Важные группы травоядных млекопитающих – грызуны и копытные или пастбищные животные – лошади, крупный рогатый скот, овцы.

В пресноводных и морских экосистемах травоядными организмами являются мелкие ракообразные и моллюски.

К первичным консументам относятся и паразиты растений (например, грибы, растения, животные).

Вторичные консументы питаются травоядными, и поэтому они являются плотоядными животными. Консументы третьего порядка – тоже плотоядные, так как питаются вторичными консументами. Вторичные и третичные консументы могут быть хищниками, падальщиками или паразитами.

Сапротрофы (редуценты или разрушители) – организмы, которые способны разлагать растительные и животные остатки до уровня исходных неорганических веществ.

К данной группе организмов относятся главным образом бактерии, грибы и почвенные животные. Сапротрофы тоже могут служить пищей другим организмам и играют роль вторичных продуцентов. Таким образом, один и тот же организм в зависимости от своего положения в пищевой цепи может быть вторичным продуцентом, консументом или сапротрофом.

22. Развитие экосистем: сукцессия

Сукцессия – последовательная смена биоценозов, преемственно возникающая на одной и той же территории (биотопе) под влиянием природных факторов (в том числе и внутренних противоречий самих биоценозов) или воздействия человека (Н. Ф. Реймерс, 1990 г.).

Сукцессия происходит в определенный промежуток времени, в котором изменяются видовая структура сообщества, абиотическая среда существования до возникновения стабилизированной системы, называемой климаксом. В таком состоянии система находится тогда, когда в ней на единицу энергии приходится максимальная биомасса и максимальное количество симбиотических связей между организмами (Ю.Одум, 1975 г.). Но это конечное состояние системы, до которого проходят несколько стадий развития.

Сукцессия возникает на свободном пространстве. Выделяют первичную и вторичную сукцессию в зависимости от первичного состояния субстрата.

Первичная сукцессия формируется на безжизненном субстрате, а вторичная сукцессия возникает при смене одного сообщества другим, более приспособленным данным абиотическим условиям.

Первичная сукцессия может сформироваться, например, на эоловых песках пустыни или на склоне скалы и т. п. Первыми на свободном пространстве начинают появляться растения, семена которых переносятся ветром, – анемохория. Например, в западную часть Северной

Америки постоянно заносятся ветром семена семейства орхидных из Индии, которые пролетают часть экватора. Классическим примером первичной сукцессии может служить зарастание еловым лесом новых северных территорий России. Ельник является последней стадией развития экосистемы или климаксным сообществом, обладающим устойчивостью. Но сначала здесь прорастают березняки, ольховники и осинники, под пологом которых растут ели. Со временем они перерастают лиственные деревья и полностью вытесняют их.

Длительность протекания первичной сукцессии – время от формирования субстрата до зрелого климаксного сообщества. Самый короткий срок существования климаксного сообщества:

1) рыхлые породы и влажный теплый климат – 150–200 лет;

2) в условиях умеренных широт – не менее 1000 лет.

Вторичная сукцессия возникает на месте ранее существовавших сообществ, которые были разрушены, но почва и некоторые организмы сохранились (пожар, наводнение, распашка земель). Обычно вторичные сукцессии связаны с деятельностью человека. В отличие от первичных вторичные сукцессии развиваются быстрее, так как субстрат уже сформирован и семена растений хранятся в нем длительное время. После уничтожения сообщества происходит его восстановление, зависящее от силы воздействия, а длительность восстановления – от степени воздействия.

23. Энергия экосистем. трофические уровни

Существование живых организмов на Земле возможно благодаря солнечной энергии, так как именно свет является единственным пищевым ресурсом, энергия которого, соединяясь с водой и углекислотой, запускает процесс фотосинтеза. Зеленые растения создают органическое вещество, питающее травоядных животных, которые служат пищей для плотоядных и т. д. Таким образом, световая энергия передается от растений всем живым организмам. При передаче энергии от одного организма к другому образуется трофическая (пищевая) цепь, начинающаяся савтотрофов и продуцентов и переходящая к гетеротрофам и консументам, и так несколько раз с одного места цепи на другое. Место каждого звена в пищевой цепи называется трофическим уровнем.

Первый трофический уровень представлен продуцентами, второй – растительноядными консументами. Третий трофический уровень состоит из плотоядных консументов, которые питаются растительноядными; четвертый – плотоядные консументы, питающиеся другими плотоядными и т. д. Но есть виды, которые могут питаться и растительной пищей, и мясом (например, человек), поэтому они могут занимать в трофической цепи любой уровень.

Значительная часть гетеротрофов (сапрофиты исапрофаги) используют энергию детрита, поэтому различают два вида трофических цепей:

1) пастбищные (выедание) цепи, начинающиеся с поедания зеленых растений;

2) детритные (разложение) цепи, которые начинаются с поедания отмерших растительных и животных остатков.

Поглощаемая пища усваивается не полностью. Организм тратит энергию на метаболические процессы (например, дыхание), образование тканей, запас питательных веществ, а остальная часть пищи выделяется в виде экскрементов. Значительная часть энергии в организме рассеивается в виде тепла при химических реакциях.

А. Линдеманн в 1947 г. предложил закон 10 % – на последующий трофический уровень переходит лишь 10 % энергии от содержания ее в предыдущих уровнях. При тщательном изучении этого вопроса было установлено, что переходит не 10 %, а от 5 до 20 % энергии.

Эффективность пищевой цепи, или экологическая эффективность сообщества, относительное количество энергии, передающееся от одного трофического уровня к следующему.

Количественное соотношение организмов, массу, содержание энергии на каждом трофическом уровне можно представить в виде пирамиды чисел, биомассы и энергии.

Пирамиды чисел – соотношение числа особей на каждом трофическом уровне.

В пирамидах биомассы учитывается биомасса особей (а не их количество).

Пирамиды энергии дают динамику скорости прохождения массы пищи через трофическую цепь и всегда имеют правильную форму.

24. Антропогенные воздействия на гидросферу и их последствия

Загрязнение водных ресурсов происходит в результате поступления в них вредных веществ и проявляется в изменении органолептических (запаха, вкуса, прозрачности и др.) и физических свойств воды, содержании хлоридов, нитратов, тяжелых металлов, радиоактивных элементов, болезнетворных бактерий и прочего, недостаточном количестве кислорода.

Различают следующие основные водные загрязнители:

1) химические, (нефть и нефтепродукты, синтетические поверхностно-активные вещества, пестициды, диоксины, тяжелые металлы и др.);

2) физические, (тепло, радиоактивные вещества и др.);

3) биологические, (различные вирусы и болезнетворные бактерии, дрожжевые грибки и др.). Основные виды загрязнения водных ресурсов:

1) химическое – самое распространенное загрязнение; выделяют органическое (пестициды, фенолы и др.), неорганическое (кислоты, соли), нетоксичное и токсичное (соединения ртути, мышьяка и др.) химическое загрязнение;

2) механическое, (внесение в воду механических примесей, например ила, пескаидр.);

3) радиоактивное, (радиоактивные вещества – уран, радий, цезий и др.);

4) бактериальное, (попадание в воды вирусов, микроскопических грибков и др.);

5) тепловое, происходит при повышении температуры воды в результате смешивания с техническими водами; это приводит к изменению химического и газового состава воды. Основными источниками загрязнения

водных ресурсов являются сбросы неочищенных сточных вод (коммунально-бытовых, промышленных и др.), смывы ядохимикатов атмосферными осадками (фосфора, пестицидов и др.), утечки нефти и нефтепродуктов, газопылевые выбросы (пыли, аэрозолей и др.).

Кроме поверхностных вод, в результате антропогенного влияния загрязняются и грунтовые воды.

При загрязнении пресноводных экосистем биогенными веществами наблюдается процесс эвтрофикации – усиленное размножение сине-зеленых водорослей, приводящее к резкому возрастанию фитопланктона и уменьшению разнообразия видов.

Экологические последствия загрязнения морских экосистем выражаются в нарушении устойчивости экосистем, появлении «красных приливов», снижении биопродуктивности, эвтрофикации, мутагенезе и канцерогенезе морских организмов, биологическом загрязнении и накоплении химических токсикантов.

Неблагоприятные последствия для здоровья человека проявляются при использовании загрязненной воды или при контакте с ней. Например, опасность возникновения тяжелых заболеваний (брюшного тифа, холеры и др.).

Еще одним последствием деятельности человека является истощение водных ресурсов. При длительном и интенсивном водозаборе могут происходить оседание и деформация земной поверхности, что приводит к затоплению пониженных участков.