Текст книги "Экология. Шпаргалка"

25. Продуцирование и разложение в природе

Фотосинтезирующие и хемосинтезирующие организмы образуют органические вещества (или продукцию) в количестве 100 млрдт в год и такое же количество органических веществ должно превращаться в процессе дыхания растений в воду и углекислоту.

Но этот баланс неточен, так как в прошлые геологические эпохи создавалось избыточное количество органического вещества, что проявилось в накоплении осадочных пород (угля).

Причиной образования избытка органического вещества является сдвиг баланса в соотношении O₂/ СO₂ в сторону углекислого газа, в результате чего часть продуцированного вещества не разлагалась и не тратилась на дыхание, а окаменевала и сохранялась в виде осадков. Примерно 100 млн лет назад баланс сдвинулся в сторону повышения содержания кислорода, что сделало возможным существование многоклеточных организмов и их эволюцию.

Дыхание – это процесс окисления, который еще в древности справедливо сравнивали с горением. Благодаря дыханию как бы сгорает накопленное при фотосинтезе органическое вещество.

Значит, дыхание – процесс гетеротрофный, приблизительно уравновешивающий автотрофное накопление органического вещества. Различают аэробное, анаэробное дыхание и брожение.

Аэробное дыхание – процесс, обратный фотосинтезу, где окислитель (газообразный кислород) присоединяет водород.

Анаэробное дыхание происходит обычно в бескислородной среде, и в качестве окислителя служат другие неорганические вещества, например сера. И, наконец, брожение – такой анаэробный процесс, где окислителем становится само органическое вещество.

Посредством процесса аэробного дыхания организмы получают энергию для поддержания жизнедеятельности и построения клеток. Бескислородное дыхание – это основа жизнедеятельности сапрофагов (бактерий, дрожжей, плесневых грибов, простейших) (В. И. Коробкин, Л. В. Передельский, 2003 г.).

Если детрит (частицы мертвого органического вещества) поступает в почву в значительных количествах, то грибы, бактерии и простейшие тратят кислород на его разложение, которое замедляется, но не останавливается в результате деятельности организмов с анаэробным дыханием.

Можно утверждать, что на биосферном уровне происходит отставание гетеротрофного разложения от продуцирования во времени.

«Отставание гетеротрофной утилизации продуктов автотрофного метаболизма есть, следовательно, одно из важнейших свойств экосистемы» С.Ю. Одум, 1975 г.).

Процесс разложения детрита путем механического измельчения, биологического воздействия и образование из него гумуса (гумификации) под действием сапрофагов происходит относительно быстро. Но минерализация гумуса– медленный процесс, именно он и обусловливает запаздывание разложения по сравнению с продуцированием.

26. Фотосинтез

При фотосинтезе происходит поглощение световой энергии и ее преобразование в энергию химических соединений. Этот процесс состоит из фотохимических (или световых) реакций, ферментативных (или темновых) реакций и процессов диффузии, в результате которых осуществляется обмен углекислым газом и кислородом между хлоропластами и атмосферным воздухом.

Для протекания фотосинтеза необходима вода и углекислый газ.

Наземные растения поглощают воду корнями из почвы, водные, получают ее из окружающей среды путем диффузии. Углекислый газ попадает в растение через устьица, находящиеся на поверхности листьев.

Как только хлоропласты улавливают фотосинтетически активную радиацию, начинается фотосинтез. В световых реакциях участвуют две пигментные системы – фотосистема I и фотосистема II. Первая фотосистема содержит в основном хлорофилл а; реакционный центр – комплекс хлорофилла а с белком, который имеет максимум поглощения при 700 нм, поэтому данный комплекс называют «пигмент-700». Вторая фотосистема представлена хлорофиллом b, комплексом хлорофилла а и белка с максимумом поглощения 680 нм. В обеих фотосистемах имеются также дополнительные пигменты – каротиноиды, у водорослей – фикобилины.

После поглощения квантов света пигмент-700 отдает электроны, идущие на восстановление НАДФ⁺. Вторая фотосистема поднимает электроны, полученные при расщеплении воды, на более высокий энергетический уровень, и передает их пигменту-700. При таком нециклическом переносе электронов образуется АТФ. Таким образом, необходимые для темновых реакций АТФ и НАДФ × Н образуются во время световых реакций. Для обратного восстановления хлорофилла используются электроны, образующиеся при фотолизе воды или иного донора. В результате фотолиза воды при фотосинтезе высвобождается кислород, выделяющийся из растения в воздух. Далее при протекании темновых реакций ферменты, находящиеся в строме хлоропластов, конденсируют углекислый газ с рибулозодифосфатом до образования двух молекул фосфоглицериновой кислоты, которая, в свою очередь, становится альдегидом и после прохождения сложных ферментативных реакций в конечном итоге приводит к синтезу глюкозы.

Суммарный процесс фотосинтеза можно представить в виде уравнения:

Фотосинтез имеет огромное значение для существования всего живого на планете, так как именно этот процесс делает энергию и углерод доступными живым организмам, а также обеспечивает выделение в атмосферу кислорода, необходимого для всех аэробных форм жизни.

27. Хемосинтез

Хемосинтез – тип питания, характерный для некоторых микроорганизмов, которые создают органические вещества из неорганических за счет энергии, выделяющейся при окислении ими других неорганических веществ. Такие микроорганизмы называются хемосинтезирующими, или хемоавтотрофами. Энергия может выделяться при окислении водорода, серы, двухвалентного железа, сероводорода, аммиака и других неорганических веществ. Так, у железобактерии Leptothrix:

полное уравнение:

4FeCO₃ + O₂ + 6Н₂O → 4Fe(OH)₃ + 4СO₂ + Энергия.

Бесцветные серобактерии Thiobacillus:

полное уравнение:

2S + 3O₂ + 2Н₂O → 2H₂SO₄ + Энергия.

Нитрифицирующие бактерии рода Nitrobacter окисляют нитриты до нитратов с высвобождением энергии:

полное уравнение:

2HNO₂ + O₂ → 2HNO₃ + Энергия.

Другая бактерия Nitrosomonas окисляет аммиак до нитритов:

полное уравнение:

2NH₃ + 3O₂ → 2HNO₂ + 2Н₂O + Энергия.

Все представленные выше бактерии являются аэробными, так как акцептор электронов и водорода – кислород.

78 % азота содержится в атмосфере в недоступной форме, он становится доступным для живых организмов лишь в связанной форме (азотофиксация). Так как молекула данного элемента состоит из двух атомов, то для азот-фиксации требуется энергия для ее расщепления. У азотофиксаторов для этой цели служит специальный фермент – нитрогеназа, использующий энергию АТФ. Нитрогеназа содержит железо, молибден, сульфидные простетические группы, поэтому данные элементы необходимы биологическим системам для осуществления фиксации азота. Разделение атомов азота неферментативным путем возможно при огромной затрате энергии (например, в результате грозовых разрядов в почву с осадками поступает 7 кг азота на 1 га).

28. Биологическая продуктивность экосистем

Биологическая продуктивность экологической системы – скорость усвоения продуцентами солнечной энергии и образования органического вещества в процессе хемосинтеза и фотосинтеза.

Выделяют разные уровни продуцирования, на которых создается первичная и вторичная продукция.

Первичная продукция – масса органического вещества, созданная продуцентами в единицу времени на единицу площади.

Вторичная продукция – прирост за единицу времени массы консументов.

Первичная продукция подразделяется на валовую (в иностранной литературе брутто-продукция) и чистую (нетто-продукцию) продукцию.

«Валовая первичная продукция – это общая масса валового органического вещества, создаваемая растением в единицу времени при данной скорости фотосинтеза, включая и траты на дыхание.

Растения расходуют на дыхание 40–70 % валовой продукции. Та часть валовой продукции, которая не израсходована на процесс дыхания и не съедена гетеротрофами, называется чистой первичной продукцией и представляет собой величину прироста растений, и именно эта продукция потребляется консументами и редуцентами.

Вторичная продукция не делится уже на валовую и чистую, так как консументы и редуценты, т. е. все гетеротрофные организмы,

увеличивают свою массу за счет первичной продукции, т. е. используют ранее созданную продукцию» (В. И. Коровкин, Л. В. Передельский, 2003 г.).

Вторичную продукцию рассчитывают для каждого трофического уровня отдельно, так как она образуется за счет энергии, которая поступает с предыдущего уровня.

Все живые компоненты экологической системы (продуценты, консументы, деструкторы) составляют общую биомассу сообщества в целом, или отдельно его частей, или различных групп организмов.

Биомассу можно выражать в энергетических единицах (в калориях, джоулях и др.), а также через сухой и сырой вес, что дает возможность выявления связи между величиной поступающей энергии и, например, средней биомассой.

Но на образование биомассы тратится не вся энергия, так как часть ее рассеивается. А вот энергия, которая используется для создания первичной продукции, может расходоваться в различных экологических системах по-разному. Если скорость изъятия энергии консументами меньше скорости прироста фитомассы, то это приводит к постепенному приросту биомассы продуцентов и, следовательно, к избытку мертвого органического вещества. Последнее является основной причиной зарастания мелких водоемов, чрезмерного образования торфа в болотах и т. п.

В климаксных сообществах (стабильных) в трофических цепях в основном тратится вся продукция, и биомасса остается постоянной.

29. строение земли

Земля имеет следующее внутреннее строение:

1) литосферу;

2) верхнюю мантию;

3) нижнюю мантию;

4) внешнее (жидкое) ядро;

5) внутреннее (твердое) ядро, состоящее из земной коры, астеносферы и 3–4 переходных слоев.

Астеносфера располагается ближе всего к поверхности под океанами (от 10–20 км до 80—200 км) и глубже (от 80 до 400 км) под континентами, причем залегание астеносферы глубже под более древними геологическими структурами. По современным представлениям астеносфера играет роль своеобразной смазки, по которой могут перемещаться вышележащие слои мантии и коры.

Над астеносферой находится литосфера, состоящая из земной коры и части верхней мантии.

Выше литосферы – гидросфера (прерывистая водная оболочка), состоящая из океанов, морей, озер, рек, болот, подземных вод, ледников и снежного покрова и расположенная на поверхности Земли. Еще выше – атмосфера (газовая оболочка Земли), в ее нижней части и в гидросфере располагается биосфера. Между атмосферой и гидросферой все время осуществляется сбалансированный обмен теплом.

Состав атмосферы. Воздух вблизи земной поверхности состоит (без водяного пара) из 78 % по объему (76 % по массе) азота, 21 % по объему (23 % по массе) кислорода, и 1 % почти полностью представлен аргоном. Остальные составляющие сухого воздуха (гелий, неон, метан, водород, оксид азота, озон и др.) содержатся в ничтожных количествах.

В зависимости от изменения температуры в атмосфере выделяют несколько слоев. Тропосфера– нижний слой атмосферы (до 10 км высотой с постоянным падением температуры примерно на 0,6 °C на 100 м высоты). На верхней границе тропосферы выделяется слой постоянных температур – тропопаузу (1–2 км). Выше, до высот 50–55 км, располагается стратосфера, в которой наблюдается рост температур до верхней ее границы – стратопаузы, где температура почти такая же, как у поверхности Земли, что связано с поглощением солнечного излучения озоном.

На высоте 17–26 км – озоновый слой, задерживающий ультрафиолетовое излучение. Над стратопаузой до высоты в 80 км находится мезосфера, в которой температура снова понижается до– 100 °C, и заканчивается мезопаузой с давлением воздуха в 100 раз меньшим, чем у поверхности Земли. Выше мезопаузы располагается термосфера, в которой температура снова резко повышается до +1200–1500 °C на высотах в 250 км, а верхняя граница термосферы находится на уровне 800—1000 км, выше которого выделяется экзосфера или сфера ускользания газов.

Климат Земли определяется атмосферной циркуляцией, теплооборотом и влагооборотом, а также и астрономическими факторами.

30. Антропогенные воздействия на литосферу

Основными видами воздействия человека на почву являются водная и ветровая эрозии, вторичное засоление и заболачивание, загрязнение, опустынивание, отчуждение земель для промышленного строительства.

Разрушение верхних плодородных слоев почвы ветром (ветровая) или водой (водная) – эрозия почв. Выделяют также пастбищную, военную, промышленную, ирригационную и другие виды эрозии.

В процессе хозяйственной деятельности при неумеренном поливе орошаемых земель в засушливых районах развивается вторичное засоление почв.

Основные загрязнители почвы:

1) минеральные удобрения;

2) пестициды;

3) отходы производства;

4) газопылевые выбросы в атмосферу;

5) нефть и нефтепродукты.

Антропогенные воздействия на почву приводят к деградации земель (нарушению их саморегуляции и плодородия).

Одним из проявлений деградации является опустынивание (процесс необратимого изменения почвы, растительности, биопродуктивности, приводящий к превращению территории в пустыню).

Отчуждение земель – необратимое нарушение почвенного покрова при строительстве поселков, городов и др.

Воздействие человека на горные породы и их массивы проявляется при инженерно-хозяйственной деятельности и обусловлено сжатием, сдвигами, осушением, вибрациями и др.

Основные антропогенные воздействия на породу – динамические (взрывы) и статические (нагрузки от зданий) нагрузки, электрическое (искусственно создаваемое электрическое поле) и тепловое (повышение температуры горных пород, приводящее к их спеканию) воздействие.

В результате инженерно-хозяйственного освоения массивы горных пород также подвергаются воздействию человека, что приводит к следующим процессам:

1) оползня – скольжению горных пород по склонам под действием своего веса и нагрузки (сейсмической или вибрационной);

2) карсту – растворению горных пород (например, гипса, известняка) под действием воды и образованию подземных пустот, сопровождающимся провалом земной поверхности;

3) подтоплению – повышению уровня грунтовых вод до критических величин, связанному с деятельностью человека. Антропогенное воздействие на недра (верхняя часть земной коры, в которой возможна добыча полезных ископаемых) заключается в извлечении и переработке огромного количества горных пород, выкачивании подземных вод, накоплении гор отходов.

Недра являются источником минерально-сырьевых ресурсов и огромных запасов энергии. Однако разработка недр, а также транспортировка минерального сырья и его переработка оказывают вредное воздействие на окружающую природную среду и ее качество.

31. Круговорот веществ в природе. Биогеохимические циклы

В природе существуют большой и малый круговороты веществ. Большой, или геологический, круговорот перераспределяет вещества между биосферой и более глубокими слоями Земли. Малый, или биогеохимический, круговорот веществ происходит только в биосфере; в результате него из неорганических соединений образуется живое вещество посредством фотосинтеза и при разложении осуществляется переход органического вещества в неорганические соединения.

В. И. Вернадский назвал круговорот отдельных веществ биогеохимическими циклами.

Суть цикла заключается в том, что химические элементы сначала попадают в организм, затем из него в абиотическую среду и через какой-то промежуток времени снова возвращаются в организм и т. д. Данные элементы называют биофильными. Биогеохимические циклы и общий круговорот обеспечивают в биосфере основные функции живого вещества (по В. И. Вернадскому):

1) газовую (атмосферные и подземные газы имеют биогенное происхождение и являются продуктами разложения мертвой органики);

2) концентрационную (способность организмов накапливать в телах многие химические элементы);

3) окислительно-восстановительную (водные организмы регулируют кислородный режим и способствуют растворению или осаждению ряда металлов и неметаллов с переменной валентностью);

4) биохимическую (размножение, рост и перемещение в пространстве живого вещества);

5) биогеохимическую деятельность человека (использование человеком веществ земной коры для своих нужд).

В биогеохимических круговоротах различают резервный фонд (значительную массу движущихся веществ, которые не связаны с организмами) и обменный фонд (небольшой и активный, основанный на прямом обмене биогенным веществом между организмами и окружающей средой).

В биосфере выделяют газовый цикл с резервным фондом в атмосфере и гидросфере и осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.

Наиболее жизненно важными являются вещества, входящие в состав белковых молекул, – углерод, кислород, азот, фосфор и сера. Биогеохимические циклы углерода, кислорода и азота вследствие большого содержания в атмосфере обладают способностью к быстрой саморегуляции. Так, скорость полной замены диоксида углерода в атмосфере – около 300 лет. Главный резерв биологически связанного углерода– леса, содержащие до 500 млрд т данного элемента.

Скорость круговорота кислорода составляет 2 тыс. лет. Основным источником кислорода на нашей планете являются зеленые растения, производящие на суше 53 х 10⁹ т и в океанах – 414 х 10⁹ т кислорода ежегодно.

Круговорот фосфора и серы – осадочный биогеохимический цикл.

32. Взаимоотношения организма и среды

Совокупность абиотических и биотических условий жизни организма, называется средой его обитания. Свойства окружающей среды постоянно меняются, и любой организм для того, чтобы выжить, вынужден приспосабливаться к этим условиям. Адаптация влияет на строение и функции организмов и их органов и развивается под действием трех основных факторов – изменчивости, наследственности, естественного и искусственного отбора. Основные виды адаптации организмов к факторам внешней среды обусловлены наследственно, так как он и формировались в процессе эволюции и изменялись вместе с экологическими факторами.

Выделяют следующие основные среды обитания, освоенные живыми организмами:

1) водную;

2) наземно-воздушную;

3) почвенную;

4) собственно живые организмы, заселенные паразитами и симбионтами.

Определенные условия среды, оказывающие

специфическое воздействие на организм, – экологические факторы среды. Эти факторы подразделяют на абиотические, биотические и антропогенные.

Абиотические факторы – совокупность факторов неорганической среды, оказывающие влияние на жизнь и распространение растений и животных. Абиотические факторы включают физические, химические (например, соленость воды) и эдафические факторы.

Биотические факторы – совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на жизнедеятельность других, а также на неживую среду обитания (Ю. П. Хрусталев, 1996 г.). Организмы, образуя сообщества, вынуждены бороться за пищевые ресурсы и территорию. Различают внутривидовую и межвидовую конкуренцию. Внутривидовая конкуренция характеризуется в основном борьбой за территорию, а межвидовая более разнообразна.

Типы взаимодействий:

1) конкуренция – виды оказывают друг на друга негативное воздействие;

2) мутуализм – облигатный симбиоз (виды не могут существовать друг без друга);

3) протокооперация – факультативный симбиоз (виды могут существовать отдельно, но совместное существование приносит им обоим пользу, например, актинии и крабы);

4) комменсализм – один вид извлекает пользу от сожительства, другой вид– нет, например, обитатели нор;

5) нейтрализм – виды не оказывают друг на друга никакого влияния;

6) аменсализм – один вид угнетает рост и размножение другого, например, сосуществование крупных и мелких растений;

7) хищничество – поедание одного вида (жертва) другим видом (хищник);

8) паразитизм – паразит тормозит рост и развитие хозяина.

Антропогенные факторы – факторы, возникающие в результате деятельности человека, например, уничтожение лесов, загрязнение и т. п.

33. Основные лимитирующие факторы. Экологическая валентность

Температура является важнейшим лимитирующим (ограничивающим) фактором. Для любого вида пределами толерантности служат максимальная и минимальная летальные температуры, за их пределами вид погибает от холода или жары.

Живые организмы могут жить при температуре от 0 до 50 °C за некоторым исключением. При оптимальных значениях температуры (оптимальный интервал) организмы чувствуют себя комфортно, размножаются, наблюдается рост численности популяции. В участках температурного предела жизни (пониженной жизнедеятельности) организмы угнетены.

При возрастании жары в пределах верхней границы стойкости и похолодании в пределах нижней границы стойкости организмы попадают в зону смерти и погибают.

Данный пример иллюстрирует общий закон биологической стойкости, который применим к важным лимитирующим факторам. Оптимальный интервал характеризует стойкость организмов (толерантность к этому фактору) или экологическую валентность.

В процессе адаптации по отношению к температуре появились пойкилотермные (температура тела меняется при изменении температуры окружающей среды, например, пресмыкающиеся, насекомые и др.) и гомойотермные (постоянная температура тела, независящая от температуры окружающей среды) животные.

Важными лимитирующими факторами, помимо температуры, являются свет и вода.

Большое значение для организмов имеет интенсивность освещения, в зависимости от нее все растения подразделяются на:

1) светолюбивые, или гелиофиты;

2) тенелюбивые, или сциофиты;

3) теневыносливые.

Вода – лимитирующий фактор для организмов, живущих в наземных и водных местообитаниях. Этот фактор в наземно-воздушной среде характеризуется величиной количества осадков, влажности, иссушающим действием воздуха, доступностью запаса воды.

Экологические группы растений в зависимости от влажности подразделяются на:

1) гигрофиты – наземные растения, живут на очень влажных почвах и условиях повышенной влажности;

2) мезофиты – могут переносить незначительную засуху;

3) ксерофиты – растения степей и пустынь, накапливающие влагу в мясистых листьях и стеблях – суккуленты (например, кактусы);

4) склерофиты – растения, обладающие высокой всасывающей силой корней.

Экологические группы животных по отношению к воде:

1) гигрофилы или влаголюбивые;

2) мезофилы – промежуточная группа между влаго– и сухолюбивыми;

3) ксерофилы или сухолюбивые.

Водный баланс животные регулируют поведенческими, морфологическими и физиологическими способами.