Текст книги "Основы экологии и энергосбережения"

2.6. Климат и погода

Знание климата и его особенностей имеет большое значение:

• для народнохозяйственных задач;

• обороны страны;

• освоения новых земель;

• выбора стройматериалов для жилья;

• здоровья людей;

• обеспечения населения питанием, одеждой, обувью;

• районирования сельскохозяйственных культур и т. д.

Климат (от греч. klima – наклон (земной поверхности к солнечным лучам)) – статистический многолетний режим погоды. Учение о климате появилось в XVII в. с изобретением термометра, барометра и началом инструментальных исследований метеофакторов.

Погода – физическое состояние атмосферы в том или ином пункте в определенный момент времени.

К важнейшими элементам метеорологического комплекса относят:

• уровень солнечной радиации на поверхность Земли;

• физические свойства воздуха – температура, влажность, атмосферное давление;

• направление и скорость движения ветра;

• атмосферные осадки;

• электрическое состояние атмосферного воздуха.

Многие специалисты считают наиболее правильным характеризовать климатические особенности изучаемого района методом комплексной климатологии исходя из того, что люди живут и работают в конкретной географической среде, а не в условиях «среднего состояния атмосферы». Поэтому учеными предложены три клинических типа погоды – оптимальный, раздражающий и острый (табл. 2.4).

Таблица 2.4. Клинические типы погоды

Климатообразующими факторами являются географическая широта и долгота, атмосферная циркуляция, характер подстилающей поверхности и рельеф местности, деятельность человека.

Географическая широта. Увеличение тепла с севера на юг отличается более или менее в соответствии с географической широтой и зависит от суммы солнечного тепла, повышения температуры, уменьшения облачности, увеличения абсолютной влажности воздуха. Следовательно, средней температуре данного места соответствуют определенные флора и фауна и определенный быт человека.

Атмосферная циркуляция. Одним из атмосферных процессов формирования климата являются перенос воздушных масс, их трансформация и фронтогенез. В зависимости от подстилающей поверхности (песок, чернозем, снег, вода) воздух нагревается или охлаждается, т. е. происходит его высушивание или увлажнение. Он отличается от воздуха окружающей территории. В связи с этим атмосферный воздух как бы разделяется на отдельные объемы соответственно территории подстилающего грунта. В зависимости от того, над какой поверхностью воздушные массы находились перед приходом в данную местность, они могут быть континентальными или морскими.

Воздушные массы перемещаются как одно целое, заменяя воздушные массы, ранее бывшие над данной территорией, и вызывают таким образом смену погоды. Резкая смена погоды с большими колебаниями температуры (до 15–20 °С) наблюдается при прохождении холодного или теплого фронтов.

Фронт – это пограничный слой воздуха между двумя разными по своим особенностям воздушными массами.

Теплый фронт – теплые воздушные массы наплывают на холодные и, вытеснив их, захватывают пространство.

Холодный фронт – холодные воздушные массы, подплывая под теплые, вклиниваются вперед, вытесняя теплый воздух. В средних широтах тропосферы непрерывно происходит борьба теплых и холодных течений. Поэтому погода здесь неустойчивая, что проявляется циклонами и антициклонами.

Современный человек живет в искусственном, созданном им самим микроклимате. Даже из собственного жилища человек выходит со своим микроклиматом, который поддерживается с помощью одежды и обуви по сезону и погоде.

Температура воздуха в больших городах на 0,5–1 °С выше, чем в их окрестностях. В связи с этим устанавливается порывистый ток холодного воздуха от периферии к центру, теплый городской воздух поднимается вверх и образуется инверсия (температура с высотой не понижается, как обычно, а повышается). Это способствует скоплению пыли и дыма. Пылевая пелена вызывает уменьшение числа часов солнечного сияния. Это проявляется снижением солнечного сияния над городом на 1–2 ч раньше, чем за городом, и соответственно большим количеством осадков.

Лесонасаждения, парки, скверы способствуют:

• снижению температуры воздуха летом;

• увеличению его относительной влажности;

• повышению ветрозащитных свойств;

• уменьшению запыленности воздуха;

• положительному влиянию на эмоции человека.

Климат по признаку средних температур января и июля делится на четыре климатических района: холодный, умеренный, теплый и жаркий. Климатические районы учитываются:

• при планировке и застройке населенных мест;

• ориентации зданий по сторонам света;

• выборе строительного материала и толщины стен;

• отоплении, водоснабжении, проведении канализации;

• озеленении и решении других проблем строительства.

С медицинской точки зрения различают следующие типы климата: морской; континентальный (лесной, степной, пустынь, гор); тропический; полярный.

Морской климат имеет более ровную температуру, мягкие ветры и чистый воздух. Он оказывает успокаивающее (Крым, Сочи), расслабляющее (Куба, Цейлон) и возбуждающее действие (Балтика, восточные берега Англии и др.).

Морскому климату присущи инсоляция, чистота, свежесть. Он способствует:

• повышению кроветворной функции;

• увеличению теплопродукции и теплоотдачи;

• уменьшению потоотделения и повышению мочевыделения;

• постоянному движению воздуха, который действует массирующим образом и способствует закаливанию организма.

Лесной климат характеризуется чистотой, прохладой, малым движением воздуха, высокой относительной влажностью, успокаивающим действием и быстрым восстановлением сил.

Климат степей – это сухость воздуха и обильная инсоляция. Он способствует выделению воды кожей и через легкие, меньшему выделению воды почками (снижает выделительную функцию почек), снижению артериального давления крови.

Климат пустынь может вызывать возбуждение центральной нервной системы, в жаркий период порождать депрессию, слабость, потерю аппетита, приводить к теплопотере через испарение (до 60 % и более).

Горный климат характеризуется более низкой температурой и ее большими суточными колебаниями; большой скоростью движения ветра и низкой относительной влажностью; понижением атмосферного давления. Он «предъявляет» повышенные требования к организму, что проявляется:

• учащением пульса и понижением артериального давления;

• увеличением количества эритроцитов и гемоглобина;

• увеличением секреции слизистых; лучше отделяется мок рота, что обусловлено увеличением притока крови к легким в единицу времени.

Тропический климат – это климат высоких температур и высокой влажности. Он вызывает затруднения в отделении пота, что может приводить к перегреванию и тепловому удару.

Полярный климат характеризуется низкими температурами и низкой абсолютной и высокой относительной влажностью. Полярная ночь длится 179 дней, полярный день – 186 дней. При этом полярная ночь оказывает угнетающее действие, нередко вызывая бессонницу; полярный день улучшает самочувствие.

Акклиматизация — приспособление организма к разным климатическим условиям, т. е. образование в коре головного мозга новых временных связей. Процесс акклиматизации – проблема экономическая, социальная и гигиеническая. Люди довольно легко приспосабливаются к новым климатическим условиям. Для них имеют значение не столько физиологические механизмы акклиматизации, сколько организация труда, отдыха, быта и санитарно-гигиенические мероприятия.

Акклиматизацию в физиологическом отношении следует рассматривать как длительную адаптацию к новым климатическим условиям, как выработку условного стереотипа. Если климатические факторы не «предъявляют» чрезмерных требований к организму, выходящих за пределы его функциональных возможностей и компенсаторных механизмов, то наступает акклиматизация. Если эти требования превышают возможности организма, то возникает состояние субкомпенсации и декомпенсации, а возможно, и декомпенсации с проявлением ряда патологических процессов.

При акклиматизации отмечаются три вида симптомов:

• угнетение центральной нервной системы – сонливость, апатия;

• боли – головные, суставов, сердечные;

• изменения белкового, жирового, углеводного, витаминного, солевого обменов.

В первые 1–1,5 мес. изменения в организме протекают наиболее интенсивно. Самые оптимальные условия акклиматизации ступенчатые. Например, жители Средней Азии приспособлены к условиям высокой температуры и плохо переносят холод, а жители Арктики, напротив, не переносят жару.

Акклиматизация животных и растений отличается от акклиматизации людей, ибо в последней участвуют три фактора: человек, социальный фактор и природа.

На процессы акклиматизации существенное влияние оказывает рациональное питание, т. е. обогащение пищи фосфолипидами, витаминами, микро– и макроэлементами. Большое значение в процессе акклиматизации имеют жилище, одежда, рациональный режим труда и отдыха, что обеспечивает сохранение нормального физиологического ритма.

Заболевания, которые возникают или обостряются в зависимости от погоды, можно разделить на следующие группы.

Простудные заболевания. Они часто возникают у людей при изменении погодных условий:

• при низкой температуре воздуха;

• высокой относительной влажности;

• большой скорости движения воздуха;

• наличии сквозняков.

К простудным заболеваниям относятся:

• грипп, ОРВИ, гломерулонефрит, ревматизм;

• риниты, фарингиты, ларингиты, трахеиты, бронхиты;

• синуситы – гайморит, фронтит, пансинусит;

• ангины – катаральные, фолликулярные, лакунарные, гангренозные;

• пневмонии – мелкоочаговые, крупозные, плевриты;

• заболевания периферической нервной системы – радикулиты, невриты, миозиты, невралгии;

• хронические тонзиллиты и др.

Обострения хронических заболеваний. Бывают дни, когда ухудшается состояние у многих больных, страдающих:

• инфарктом миокарда;

• ревмокардиоартритом;

• артериальной гипертензией;

• атеросклеротическим кардиосклерозом.

Внезапная смерть сердечных больных случается в дни грозы, геомагнитных бурь, при непостоянной погоде, при стенокардии. С падением атмосферного давления обычно падает артериальное давление, а бывает и наоборот. Изменяется число протромбина в крови, поэтому могут быть инсульты, тромбозы и эмболии.

Сезонные заболевания и их обострение. Многие заболевания и их обострение связаны с изменением времен года и случаются обычно в холодные месяцы года:

• язвенная болезнь желудка и 12-перстной кишки (весна, осень);

• обострение хронических тонзиллитов (весна, осень);

• гипо– и авитаминозы (весенний период);

• аллергии (весна, цветение растений, тополиный пух и др.).

Профилактика метеотропных заболеваний:

• наличие прогноза метеослужбы о физических свойствах атмосферного воздуха;

• организация лечебно-профилактических мероприятий;

• культура жилищно-бытовых условий;

• рациональное и сбалансированное питание.

Глава 3. Экология популяций

3.1. Понятие о популяции

Популяция – это совокупность особей одного вида, в течение многих лет населяющих определенное пространство, внутри которого особи могут обмениваться генетической информацией. Популяция функционирует как часть биотического сообщества и является элементарной единицей эволюционного прогресса, формой существования вида. Особи одной популяции способны производить плодовитое потомство.

В отдельных случаях получают потомство от разных видов, и тогда может показаться, что определение популяции неточно (например, гибрид кобылы осла – мул, жеребца и ослицы – лошак). Однако потомство от такого скрещивания бесплодно. Мул и лошак не могут дать потомство ввиду того, что лошади и ослы относятся к разным популяциям.

Биоэкология изучает отношения организмов между собой и с окружающей средой и включает, как мы уже отмечали, экологию особей (аутэкологию), популяций (демэкологию) и сообществ (синэкологию).

Каждая популяция отличается своими структурой и функциями. Структура популяции характеризуется возрастом и соотношением полов, а также численностью особей и их распространением в пространстве.

Каждой популяции присущи рост и развитие, поддержание существования в условиях изменяющейся внешней среды.

Структура популяции определяется соответствием условий местообитания требованиям составляющих популяцию организмов. Различают следующие виды популяций:

• элементарная (локальная) – совокупность особей определенного вида в пределах разнородных условий в биогеоценозе;

• экологическая – совокупность элементарных популяций в пределах одного биогеоценоза;

• географическая популяция состоит из экологических популяций и охватывает группу особей, населяющих пространство с географически однородными условиями существования, в пределах которой наблюдаются единый ритм жизненных явлений и другие функциональные особенности.

Размеры и границы популяций определяются не только особенностями заселяемой ими территории, но и свойствами самих популяций. Чем большую площадь занимает популяция и чем большее количество популяций разных уровней здесь размещается, тем более жизнеспособным и устойчивым оказывается данный вид к изменяющимся условиям среды.

3.2. Характеристика уровней живой материи и популяций

В настоящее время выделяют следующие уровни живой материи:

• молекулярно-генетический;

• органоидный;

• клеточный;

• тканевой;

• органный;

• организменный;

• популяционно-видовой;

• биоценотический;

• экосистемный (биогеоценотический);

• биосферный.

За организменным уровнем уровни организации живой материи объединяются в структуры, называемые надорганизменными уровнями. К ним относятся популяции, биоценозы, экосистемы (биогеоценозы и биосфера). Необходимо отметить, что все функциональные единицы структурных уровней находятся в иерархическом соподчинении, т. е. меньшие подсистемы составляют большие системы, а те в то же время являются подсистемами более крупных систем. Это можно проследить на следующем примере: клетка является составной частью живой ткани, последняя включается в систему органа, из органов состоит организм (особь), организмы же одного вида составляют популяцию.

Следует отметить, что между отдельным организмом и популяцией организмов существует принципиальная разница. Например, как капля воды не отражает свойства пруда, реки, так и организм, взятый в отдельности, не может характеризовать всю популяцию в целом.

Носителем признаков популяции является группа особей, но не отдельные особи. По мнению специалистов, популяция – основная, а для высших животных – единственная форма существования вида. Например, как существование клетки невозможно вне организма, так и немыслимо существование особей вне популяции.

3.3. Численность и плотность популяции

Важными характеристиками популяции являются численность и плотность особей.

Численность популяции – это общее количество входящих в нее особей. Она не может быть постоянной и зависит от интенсивности размножения и смертности. Численность популяций зависит от постоянно действующих экологических факторов и биологической специфичности каждого вида.

Плотность популяции – это количество особей на единицу пространства. Ее выражают числом особей или биомассой популяции на единицу площади или объема (100 яблонь на 1 га, 250 кг рыбы на 1 га водной поверхности).

Распределение особей в пространстве неравномерно. Можно выделить три типа их распределения: случайное, групповое (пятнистое, скученное, агрегированное) и регулярное (равномерное).

Случайное распределение характерно для популяций, где численность особей невелика и потенциальные возможности конкуренции небольшие. Случайное распределение происходит нечасто.

Групповое распределение в природе встречается довольно часто, и причинами этому могут быть неоднородность среды обитания, локальные различия в местообитании, влияние суточных и сезонных изменений погодных условий, особенности процесса размножения и др. Примеры группового распределения популяций животных и растений: передвижение групп рыб огромными косяками с места на место; сбор в большие стаи водоплавающих птиц, готовящихся к перелетам в теплые страны; пятнистое размещение клевера на лугу; скопление кустарников брусники в сосновом лесу или земляничные поляны на светлых лесных опушках и др.

Регулярное (равномерное) распределение может быть при сильном антагонизме особей, когда вероятность нахождения особи рядом с другой крайне мала. Регулярное распределение чаще всего наблюдается в создаваемых человеком садах, огородах с использованием мерной ленты.

Возрастная структура. Она отражает соотношение различных возрастных групп в популяции и способность к размножению. Молодые особи в быстрорастущих популяциях составляют большую долю. По прошествии определенного времени состояние популяции будет зависеть от ее нынешнего возрастного и полового состава.

При исследовании возрастного состава популяции выделяют экологические группы:

• предрепродуктивную (до размножения);

• репродуктивную (в период размножения);

• пострепродуктивную (после размножения).

У разных организмов «деятельность» этих возрастов по отношению к общей продолжительности жизни сильно варьирует. Численность популяции поддерживается стабильно, длительно, и при благоприятных условиях имеются все возрастные группы. На возрастной состав популяции оказывают влияние:

• длительность периода размножения;

• число генераций в сезон;

• плодовитость и смертность в разных возрастных группах.

Естественная популяция – это динамичное единство организмов, находящихся в определенных взаимоотношениях. Изменение в численности, структуре и распределении популяций как реакция на условия окружающей среды называется динамикой популяции.

Рождаемость. Это число особей, рожденных в популяции за некоторый промежуток времени. Рождаемость характеризует появление особей любых видов независимо от способа их появления на свет (прорастание семян пшеницы, появление цыплят из яиц курицы, рождение потомства у человека, лошади, кита).

В экологии различают максимальную и общую рождаемость.

Максимальная рождаемость – теоретически возможный максимум скорости образования новых особей в оптимальных условиях. Только физиологические особенности сдерживают размножение организмов. Теоретически скорость размножения различных видов может быть сравнительно высокой. Примем за основу время захвата видом всей поверхности Земли и представим данные по его теоретической скорости в табл. 3.1.

Таблица 3.1. Теоретическая скорость размножения различных видов организмов при отсутствии лимитирующих экологических факторов

Абсолютная, или общая рождаемость – это число особей, родившихся за определенное время. Ввиду того что общая рождаемость находится в прямой зависимости от численности популяций, в экологии определяют еще удельную рождаемость, которая определяется числом особей, родившихся за определенное время, в расчете на одну особь в популяции. Например, в городе с населением 200 000 человек в течение года появилось 16 000 новорожденных. Абсолютная рождаемость составляет 16 000 в год, а удельная – 0,08, или 8 %.

Смертность выражается количеством особей, погибших за определенный период. Экологическая смертность – это число погибших особей, находящихся в определенных условиях среды. Теоретическая минимальная смертность – постоянная величина для популяции. Она представляет собой число погибших особей в идеальных условиях, при которых популяция не подвергается лимитирующим воздействиям. У большинства видов смертность в раннем возрасте выше, чем у взрослых особей. При определении смертности популяции учитываются все погибшие особи независимо от причины смерти.

С учетом показателей рождаемости, смертности, эмиграции все популяции подразделяются:

• на стабильные – это простое воспроизводство, если смертность не превышает прирост и численность популяции поддерживается на одном уровне, однако в природе стабильность ее является относительной и колебания по этому показателю наблюдаются постоянно;

• растущие – рождаемость в популяции превышает смертность и численность ее постоянно увеличивается вплоть до вспышки массового размножения;

• сокращающиеся – смертность превышает рождаемость.

3.4. Виды популяций и их устойчивость во внешней среде

Каждая популяция имеет возможность обмениваться генетической информацией, занимать определенное пространство и обладать многими характерными признаками, такими, как рождаемость, смертность, распределение организмов по возрастам, характер размещения в пределах территории, тип роста и др. Кроме того, происходит регулирование популяции: ограничение роста численности диких животных, естественный отбор и др.

Популяционное расселение – характер распределения взрослых особей из семян, спор, личинок в окружающей среде. Расселение может быть трех типов – эмиграция, иммиграция, миграция. Этими признаками определяются характер роста и плотность популяции.

В большой степени расселение особей зависит от различных преград к врожденной способности взрослых особей или зародышевых форм к перемещению. Такое перемещение обозначают термином «вагильность» (подвижность). Популяционное расселение служит средством захвата новых или освободившихся территорий и установления сбалансированного разнообразия, способствующих развитию популяции.

Характеристика видов и типов расселения популяций следующая.

Популяция внедряющаяся – это популяция инвазиционная, где преобладают особи в виде семян, всходов или виргильных форм, не достигающих в данном ценозе половозрелых форм.

Популяция вязкая – ее особи обычно далеко не передвигаются. Это позволяет им генетически адаптироваться к местным условиям. В данных популяциях поток генов невелик, в результате чего при переходе из одного места в другое наблюдается генетическая изменчивость и увеличивается вероятность близкородственного отбора, приводящего к образованию кооперации (пчелы, муравьи, осы, шершни).

Популяция географическая – это группа особей, населяющая значительные территории с однородными географическими условиями существования, в пределах которой наблюдаются единый ритм жизненных явлений и другие функциональные особенности, создающие морфофизиологический тип, отличающий данную популяцию от соседних, находящихся в иных географических условиях.

Популяция дикая – популяция, у которой будущий состав генофонда находится под прямым контролем взаимодействия естественного отбора и мутационного процесса.

Популяция одичавшая – популяция, будущий состав генофонда которой в течение известного времени находился под контролем режима искусственного отбора, а в настоящее время прямо контролируется взаимодействием естественного отбора и мутационного процесса.

Популяция одомашненная – популяция, будущий состав генофонда которой находится под контролем некоторого режима искусственного отбора, навязанного извне другой популяцией.

Популяция полиценотическая – популяция животных, активно передвигающихся из одного биоценоза в другой (например, копытных животных, хищников, кочующих птиц, расселяющихся животных).

Популяция регрессивная – вид представлен главным образом старческими или генеративными экземплярами неполноценного потомства.

Популяция текучая – особи ее перемещаются на огромные пространства.