Экологические факторы. 2

Экологические факторы

Наше  знакомство с экологией мы начинаем, пожалуй, с одного из самых разработанных  и изученных разделов - аутэкологии. Внимание аутэкологии концентрируется  на взаимодействии особей или групп  особей с условиями окружающей их среды. Поэтому ключевым понятием аутэкологии  является экологический фактор, то есть фактор окружающей среды, воздействующий на организм.

Никакие природоохранные мероприятия не возможны без изучения оптимума действия того или иного фактора на данный биологический вид. В самом деле, как охранять тот или иной вид, если не знать, какие условия жизни  он предпочитает. Даже "охрана" такого вида как человек разумный тебует знания санитарно-гигиенических норм, которые есть ни что иное, как оптимум различных экологических факторов применительно к человеку.

Влияние окружающей среды на организм и называется экологическим фактором. Точное научное  определение звучит так:

ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКТОР - любое условие среды, на которое живое реагирует приспособительными реакциями.

Экологический фактор - это любой элемент среды, оказывающий прямое или косвенное  влияние на живые организмы хотя бы на протяжении одной из фаз их развития.

По своей  природе экологические факторы  делят, по крайней мере, на три группы:

абиотические  факторы - влияния неживой природы;

биотические факторы - влияния живой природы.

антропогенные факторы - влияния, вызванные разумной и неразумной деятельностью человека ("антропос" - человек).

Человек видоизменяет живую и неживую  природу, и берет на себя в известном  смысле и геохимическую роль (например, высвобождая замурованный в виде угля и нефти на многие миллионы лет углерод и выпуская его  в воздух углекислым газом). Поэтому  антропогенные факторы по размаху  и глобальности своего воздействия  приближаются к геологическим силам.

Не редко  экологические факторы подвергают и более детальной классификации, когда надо указать на какую-то конкретную группу факторов. Например, различают  климатические (относящиеся к климату), эдафические (почвенные) факторы среды.

В качестве хрестоматийного примера опосредованного  действия экологических факторов приводят так называемые птичьи базары, представляющие собой огромные скопления птиц. Высокая  плотность птиц объясняется целой  цепочкой причинно-следственных связей. Птичий помет попадает в воду, органические вещества в воде минерализуются бактериями, повышенная концентрация минеральных  веществ приводит к повышению  численности водорослей, а вслед  за ними - и зоопланктона. Низшими  ракообразными, входящими в зоопланктон, питаются рыбы, а рыбами - птицы, населяющие птичий базар. Цепочка замыкается. Птичий помет выступает в качестве экологического фактора, опосредованно повышающего численность колонии птиц.

Как же сопоставлять действие столь разных по природе  факторов? Не смотря на огромное множество  факторов, из самого определения экологического фактора как элемента среды, оказывающего влияние на организм, следует нечто  общее. А именно: действие экологических  факторов всегда выражается в изменении  жизнедеятельности организмов, а  в конечном итоге, - приводит к изменению  численности популяции. Это и  позволяет сравнивать действие различных  экологических факторов.

Стоит ли говорить, что действие фактора на особь определяется не природой фактора, а его дозой . В свете сказанного выше, да и простого жизненного опыта, становится очевидным, что эффект определяет именно доза фактора. Действительно, что  такое фактор "температура"? Это  в достаточной степени абстракция, а вот если сказать, что температура -40 по Цельсию - тут уже не до абстракций, поскорее бы закутаться во все теплое! С другой стороны, +50 градусов нам  покажутся не многим лучше.

Таким образом, фактор воздействует на организм определенной дозой, и среди этих доз можно  выделить минимальные, максимальные и  оптимальные дозы, а также те значения, при которых жизнь особи прекращается (их называют летальными, или смертельными).

Воздействие различных доз на популяцию вцелом весьма наглядно описывается графически:

По оси  ординат откладывается численность  популяции в зависимости от дозы того или иного фактора (ось абсцисс). Выделяют оптимальные дозы фактора  и дозы действия фактора, при которых  происходит угнетение жизнедеятельности  данного организма. На графике это  соответствует 5 зонам:

зона  оптимума

справа  и слева от нее зоны пессимума (от границы зоны оптимума до max или min)

летальные зоны (находящиеся за пределами max и min), в которых численность популяции равна 0.

Диапазон  значений фактора, за границами которого нормальная жизнедеятельности особей становится невозможной, называется пределами  выносливости.

На следующем  уроке мы рассмотрим, как различаются  организмы по отношению к различным  экологическим факторам. Иными словами, речь на следующем уроке пойдет об экологических группах организмов, а также о бочке Либиха и  о том, как связано все это  с определением ПДК.

Глоссарий

ФАКТОР  АБИОТИЧЕСКИЙ

условие или совокупность условий неорганического  мира; экологический фактор неживой  природы.

ФАКТОР  АНТРОПОГЕННЫЙ 

экологический фактор, обязанный своим происхождением деятельности человека.

ПЛАНКТОН 

совокупность  организмов, обитающих в толще  воды и неспособных активно сопротивляться переносу течениями, то есть "парящих" в воде.

БАЗАР ПТИЧИЙ

колониальное  поселение птиц, связанных с водной средой (кайр, чаек).

Лимитирующие  факторы. Бочка Либиха.

На прошлом  уроке мы с вами рассмотрели существующие многообразие экологических факторов, а также обратили внимание на то общее, что и позволяет относить эти факторы к экологическим. Как мы отмечали, основной особенностью экологического фактора является его  воздействие на жизнедеятельность  организмов и возможность выделить оптимальные, пессимальные и летальные дозы воздействия экологического фактора.

На какие  экологические факторы из всего  их многообразия прежде всего обращает внимание исследователь? Не редко перед  исследователем стоит задача выявить  те экологические факторы, которые  угнетают жизнедеятельность представителей данной популяции, ограничивают рост и  развитие. Например, необходимо выяснить причины снижения урожая или причины  вымирания естественной популяции.

При всем многообразии экологических факторов и сложностях, возникающих при  попытке оценить их совместное (комплексное) воздействие, важно, что составляющие естественный комплекс факторы имеют  неодинаковую значимость. Еще в 19 веке Либих (Liebig, 1840), изучая влияние различных микроэлементов на рост растений, установил: рост растений ограничивается элементом, концентрация которого лежит в минимуме. Фактор, находящийся в недостатке, был назван лимитирующим. Образно это положение помогает представить так называемая "бочка Либиха".

Бочка Либиха

Представьте себе бочку, в которой деревянные рейки по бокам разной высоты, как  это показано на рисунке. Понятно, какой  бы высоты ни были остальные рейки, но налить воды в бочку вы сможете  ровно столько, какова длина самой  короткой рейки (в данном случае - 4 плашка).

Остается  только "подменить" некоторые  термины: высота налитой воды пусть  будет какой-либо биологической  или экологической функцией (например, урожайностью), а высота реек будет  указывать на степень отклонения дозы того или иного фактора от оптимума.

В настоящее  время закон минимума Либиха трактуется более широко. Лимитирующим фактором может быть фактор, находящийся не только в недостатке, но и в избытке.

Экологический фактор играет роль ЛИМИТИРУЮЩЕГО ФАКТОРА, если данный фактор находится ниже критического уровня или превосходит  максимально выносимый уровень.

Лимитирующий  фактор обуславливает ареал распространения  вида или (при менее суровых условиях) сказывается на общем уровне обмена веществ. Например, содержание фосфатов в морской воде является лимитирующим фактором, определяющим развитие планктона  и в целом продуктивность сообществ.

Понятие "лимитирующий фактор" применимо  не только к различным элементам, но и ко всем экологическим факторам. Не редко в качестве лимитирующего  фактора выступают конкурентные отношения.

У каждого  организма в отношении различных  экологических факторов существуют пределы выносливости. В зависимости  от того, насколько широки или узки эти пределы, различают эврибионтные и стенобионтные организмы. Эврибионты способны выносить широкую амплитуду  интенсивности различных экологических  факторов. Скажем, ареал обитания лисицы - от лесотундры до степей. Стенобионты, напротив, переносят лишь очень узкие  колебания интенсивности экологического фактора. Например, практически все  растения влажных тропических лесов - стенобионты.

Не редко  указывают, какой именно фактор имеется  в виду. Так, можно говорить об эвритермных (переносящих большие колебания  температуры) организмах (многие насекомые) и стенотермных (для растений тропических  лесов колебания температуры  в пределах +5... +8 градусов С может  быть губительными); эври/стеногалинных (переносящих/непреносящих колебания солености воды); эври/стенобатных (живущих в широких/узких пределах глубины водоема) и так далее.

Возникновение в процессе биологической эволюции стенобионтных видов можно рассматривать  как форму специализации, при  которой большая эффективность  достигается в ущерб адаптивности.

Взаимодействие  факторов. ПДК.

При независимом  действии экологических факторов достаточно оперировать понятием "лимитирующий фактор", чтобы определить совместное воздействие комплекса экологических  факторов на данный организм. Однако в  реальных условиях экологические факторы  могут усиливать или ослаблять  действие друг друга. Например, мороз  в Кировской области переносится  легче, что в С.-Петербурге, так  как в последнем выше влажность.

Учет  взаимодействия экологических факторов - важная научная проблема. Можно  выделить три основные вида взаимодействия факторов:

аддитивное - взаимодействие факторов представляет собой простую алгебраическую сумму  эффектов каждого из факторов при  независимом действии;

синергетическое - совместное действие факторов усиливает  эффект (то есть эффект при их совместном действии больше простой суммы эффектов каждого фактора при независимом  действии);

антогонистическое - совместное действие факторов ослабляет эффект (то есть эффект при их совместном действии меньше простой суммы эффектов каждого фактора).

Почему  так важно знать о взаимодействии экологических факторов? В основе теоретического обоснования величины предельно допустимых концентраций (ПДК) загрязнителей или предельно  допустимых уровней (ПДУ) воздействия  загрязнящих агентов (например, шума, радиации) лежит закон лимитирующего фактора. ПДК устанавливается экспериментально на уровне, при котором в организме еще не происходят патологические изменения. При этом существуют свои трудности (например, чаще всего приходится экстраполировать на человека данные, полученные на животных). Однако речь сейчас не о них.

Не редко  приходится слышать, как природоохранные  органы радостно рапортуют о том, что уровень большинства загрязнителей  в атмосфере города находится  в пределах ПДК. А органы госсанэпиднадзора в это же время констатируют повышенный уровень респираторных заболеваний у детей. Объяснение может быть таким. Не секрет, что многие атмосферные загрязнители обладают сходным эффектом: раздражают слизистые оболочки верхних дыхательных путей, правоцируют респираторные заболевания и т.д. И совместное действие этих загрязнителей дает аддитивный (или синергетический) эффект.

Поэтому в идеале при разработке норм ПДК  и при оценке существующей экологической  ситуации должно учитоваться взаимодействие факторов. К сожалению, практически это бывает очень сложно сделать: трудно спланировать такой эксперимент, трудно оценить взаимодействие, плюс ужесточение ПДК имеет отрицательные экономические эффекты.

Глоссарий

МИКРОЭЛЕМЕНТЫ

химические  элементы, необходимые организмам в  ничтожных количествах, но определяющие успешность их развития. М. в виде микроудобрений используют для повышения урожайности  растений.

ФАКТОР  ЛИМИТРИУЮЩИЙ

фактор, ставящий рамки (определяющий) для течения  какого-то процесса или для существования  организма (вида, сообщества).

АРЕАЛ

область распространения любой систематической  группы организмов (вида, рода, семейства) или определенного типа сообщества организмов (например, ареал лишайниковых сосняков).

ОБМЕН ВЕЩЕСТВ 

(применительно  к организму) последовательное  потребление, превращение, использование,  накопление и потеря веществ  и энергии в живых организмах. Жизнь возможна только благодаря  обмену веществ. 

ЭВРИБИОНТ

организм, проживающий в различных условиях среды 

СТЕНОБИОНТ 

организм, требующий строго определенных условий  существования.

КСЕНОБИОТИК

чужеродное  для организма химическое вещество, естественно не входящее в биотический  круговорот. Как правило, ксенобиотик - антропогенного происхождения.

   Загрязнение земель. Источники. Основные загрязнители. Последствия загрязнения.

     Почва – особое природное образование, обладающие рядом свойств, присущих

живой и неживой  природе, сформировавшееся в результате длительного

преобразования  поверхностных слоев литосферы  под совместным взаимообусловленным

взаимодействием гидросферы, атмосферы, живых и мертвых  организмов.

     Почвенный покров – важнейшее природное образование. Его роль в жизни

общества  определяется тем, что почва представляет собой источник

продовольствия, обеспечивающий 95-97 % продовольственных  ресурсов для населения

планеты.

Особое свойство почвенного покрова – его плодородие, под которым

понимается  совокупность свойств почвы, обеспечивающих урожай

сельскохозяйственных  культур. Естественное плодородие почвы  связано с запасом

питательных веществ в ней и ее водным, воздушным  и тепловым режимами. Почва

обеспечивает  потребность растений в водном и  азотном питании, являясь важнейшим

агентом их фотосинтезирующей деятельности. Плодородие почвы зависит также от

величины  аккумулированной в ней солнечной  энергии. Растительность аккумулирует

ежегодно  большое количество солнечной энергии  в ходе фотосинтеза и создания

биомассы, трансформируясь  в n*10¹⁰ т органического вещества. Большая

часть синтезированного органического вещества вследствие его разложения

возвращается  в почву и воду. Потребление  фитомассы человеком оценивается

величиной порядка 3,6*10¹⁸ т.

Почвенный покров принадлежит к саморегулирующейся биологической системе,

являющейся  важнейшей частью биосферы в целом. Живые организмы, растения и

животные, населяющие Землю, фиксируют солнечную энергию  в форме фито- и

зоомассы.

Продуктивность  наземных экосистем зависит от теплового  и водного балансов

земной поверхности, которые определяют многообразие форм обмена энергией и

веществом в  пределах географической оболочки планеты.

Площади земельных  ресурсов мира составляет 129 млн. км², или 86,5%

площади суши. Под пашней и многолетними насаждениями в составе

сельскохозяйственных  угодий занято около 15 млн. км² (10% суши), под

сенокосами  и пастбищами – 37,4 млн. км² (25%). Общая площадь

пахотнопригодных земель оценивается различными исследователями по-разному: от

25 до 32 млн.  км².

Земельные ресурсы  планеты позволяют обеспечивать продуктами питания больше

населения, чем имеется в настоящее время. Вместе с тем, в связи с ростом

населения, особенно в развивающихся странах, деградацией почвенного покрова,

загрязнения, эрозии  и т.д.; а также вследствие отвода земель  под застройку

городов, поселков и промышленных предприятий количество пашни на душу

населения резко  сокращается.

Воздействие человека на почву – составная  часть общего влияния человеческого

общества  на земную кору и ее верхний слой, на природу в целом, особенно

возросшее в  век научно-технической революции. При этом не только усиливается

взаимодействие  человека с землей, но и меняются основные черты

взаимодействия. Проблема «почва – человек» осложняется  урбанизацией,  все

большим использованием земель, их ресурсов для индустриального  и жилищного

строительства, ростом потребностей в продуктах  питания. По воле человека

изменяется  характер почвы, меняются факторы почвообразования – рельеф,

микроклимат, появляются новые реки и т.д.  Под  влиянием промышленных и

сельскохозяйственных  загрязнений изменяются свойства почвы  и

почвообразовательные  процессы, потенциальное плодородие, снижается

технологическая и питательная ценность сельскохозяйственной продукции и т.д.

     Загрязнение природной среды – сложный процесс, связанный с деятельностью

человека. Автор  фундаментальной сводки по экологии Ю. Одум (1975) указывает,

что «загрязнение – это природные ресурсы, оказавшиеся  не на своем месте», ибо

они чужды  природным экосистемам и, накапливаясь в них, нарушают процессы

круговорота вещества и энергии, снижают их продуктивность, влияют на здоровье

людей.

В книге Франсуа  Рамада (1981) «Основы прикладной экологии» приводится такое

определение загрязнения: «Загрязнение есть неблагоприятное  изменение

окружающей  среды; которое целиком или частично является результатом

человеческой  деятельности, прямо или косвенно меняет распределение приходящей

энергии, уровни радиации, физико-химические свойства окружающей среды и

условия существования  живых существ. Эти изменения  могут влиять на человека

прямо или  через сельскохозяйственные ресурсы, через воду или другие

биологические продукты (вещества). Они также могут  воздействовать на

человека, ухудшая  физические свойства предметов, находящихся  в его

собственности, условия отдыха на природе и обезображивая  ее саму»

Загрязнителем может быть любой физический агент, химическое вещество и

биологический вид, попадающие в окружающую среду  или возникающие в ней в

количествах, выходящих в рамки своей обычной  концентрации, предельных

количествах, предельных естественных колебаний  или среднего природного фона в

рассматриваемое время.

Основным  показателем, характеризующим воздействие  загрязняющих веществ на

окружающую  природную среду, являются предельно  допустимая концентрация (ПДК).

С позиции  экологии предельно допустимые концентрации конкретного вещества

представляют  собой верхние пределы лимитирующих факторов среды (в частности,

химических  соединений), при которых их содержание не выходит за допустимые

границы экологической  ниши человека.

В соответствии со степенью устойчивости против загрязняющих веществ

выделяются  почвы:

1.     очень устойчивые;

2.     устойчивые;

3.     среднеустойчивые;

4.     малоустойчивые;

5.     очень мало устойчивые.

По степени  чувствительности к загрязняющим веществам  почвы можно разделить

следующим образом:

1.     очень чувствительные;

2.     чувствительные;

3.     среднечувствительные;

4.     малочувствительные;

5.     устойчивые.

Чувствительность, или устойчивость почв по отношению  к загрязняющим

веществам, целесообразно определять в соответствии с:

1) содержанием  гумуса;

2) его качеством;

3) биологической  активностью;

4) глубиной  гумусового горизонта;

5) содержанием  фракции < 0,01 мм и учетом содержания  фракции <0,001 мм

(механический  состав почвы);

6) глинистых  минералов;

7) глубиной  почвенного профиля.

Почвы загрязняются различными химическими веществами, пестицидами, отходами

сельского хозяйства, промышленного производства и коммунально-бытовых

предприятий.

Поступающие в почву химические соединения накапливаются  и приводят к

постепенному  изменению химических и физических свойств почвы, снижают

численность живых организмов, ухудшают ее плодородие.

Загрязнение почв и нарушение нормального  круговорота веществ происходит в

результате  недозированного применения минеральных удобрений и пестицидов. В

ряде отраслей сельского хозяйства пестициды  применяют в больших количествах

для защиты растений и борьбы с сорняками. Ежегодное  их применение, часто по

несколько раз  в сезон, приводит к их накоплению в почве и ее отравлению.

Вместе с  навозом и фекалиями в почву  нередко попадают болезнетворные

бактерии, яйца гельминтов и другие вредные организмы, которые через продукты

питания попадают в организм человека.

Почву загрязняют нефтепродуктами при заправке машин  на полях и в лесах, на

лесосеках и  т.д.

Наибольшей  трансформацией подвергается самый  верхний, поверхностный горизонт

литосферы. Суша занимает 29,2% поверхности земного  шара и включает земли

различной категории, из которых важнейшее значение имеет  плодородная почва.

При неправильной эксплуатации почвы безвозвратно уничтожаются в результате

эрозии, засоления, загрязнения промышленными и  иными отходами. Под влиянием

деятельности  людей возникает ускоренная эрозия, когда почвы разрушаются в 100

– 1000 раз  быстрее, чем в естественных условиях. В результате такой эрозии за

последнее столетие утрачено 2 млрд. га плодородных земельных  угодий, или 27%

земель сельскохозяйственного  использования.

Поступающие в почву химические соединения накапливаются  и приводят к

постепенному  изменению химических и физических свойств почвы, снижают

численность живых организмов, ухудшают ее плодородие.

Загрязнение почв связано с загрязнением атмосферы  и воды. В почву попадают

различные твердые  и жидкие отходы  промышленного  производства, сельского

хозяйства и  коммунально-бытовых предприятий. Основными  загрязняющими почву

веществами  являются металлы и их соединения, радиоактивные вещества,

удобрения и  пестициды.

     Главными источниками загрязнения являются:

1)           Жилые дома и бытовые предприятия. В числе

загрязняющих  веществ преобладает бытовой  мусор, пищевые отходы, фекалии,

строительный  мусор, отходы отопительных систем, пришедшие  в негодность предметы

домашнего обихода; мусор общественный учреждений –  больниц, столовых, гостиниц,

магазинов и  др. Вместе с  фекалиями в почву  нередко попадают болезнетворные

бактерии, яйца гельминтов и другие вредные организмы, которые через продукты

питания попадают в организм человека. В фекальных  остатках могут содержаться

такие представители  патогенной микрофлоры, как возбудители  тифа, дизентерии,

туберкулеза, полиомиелита и др. Быстрота гибели в почве разных микроорганизмов

неодинакова. Некоторые болезнетворные бактерии могут длительное время

сохраняться и даже размножаться в почве и  грунте. К ним относятся возбудители

столбняка (до 12! лет), газовой гангрены, сибирской  язвы, ботулизма и некоторые

другие микробы. Почва является одним из важных факторов передачи яиц

гельминтов, определяя тем самым возможность  распространения ряда гельминтозов.

Некоторые гельминты  – геогельминты (аскариды, власоглавы, анкилостомиды,

сторонгилиды, трихостронгилиды и др.) проходят одну из стадий своего развития в

почве и могут  длительное время сохранять жизнеспособность в ней. Так, например,

яйца аскарид  могут сохранять жизнеспособность в почве в условиях средней  полосы

России –  до 7-8 лет, Средней Азии – до 15 лет; яйца власоглавов – от 1 до 3

лет.

2)           Промышленные предприятия. В твердых и жидких

промышленных  отходах постоянно присутствуют те или иные вещества, способные

оказывать токсическое  воздействие на живые организмы  и их сообщества. Например,

в отходах  металлургической промышленности обычно присутствуют соли цветных и

тяжелых металлов. Машиностроительная промышленность выводит  в окружающую среду

цианиды, соединения мышьяка, бериллия. При производстве пластмасс и

искусственных локон образуются отходы бензола  и фенола. Отходами

целлюлозно-бумажной промышленности, как правило, являются фенолы, метанол,

скипидар, кубовые  остатки.

3)           Теплоэнергетика. Помимо образования массы шлаков

при сжигании каменного угля с теплоэнергетикой связано выделение в атмосферу

сажи, несгоревших  частиц, оксидов серы,  в конце  концов оказывающихся в почве.

4)           Сельское хозяйство. Удобрения, ядохимикаты,

применяемые в сельском и лесном хозяйстве  для защиты растений  от вредителей,

болезней  и сорняков. Загрязнение почв и  нарушение нормального круговорота

веществ происходит в результате недозированного применения минеральных

удобрений и  пестицидов. Пестициды, с одной стороны, спасают урожай, защищают

сады, поля, леса от вредителей и болезней, уничтожают сорную растительность,

освобождают человека от кровососущих насекомых  и переносчиков опаснейших

болезней (малярия, клещевой энцефалит и др.), с другой стороны – разрушают

естественные  экосистемы, являются причиной гибели многих полезных организмов,

отрицательно  влияют на здоровье людей. Пестициды  обладают рядом свойств,

усиливающих их отрицательное влияние на окружающую среду. Технология применения

определяет  прямое попадание на объекты окружающей среды, где они передаются по

цепям питания, долгое время циркулируют по внешней  среде, попадай из почвы в

воду, из воды в планктон, затем в организм рыбы и человека или из воздуха и

почвы в растения, организм травоядных животных и человека.

Вместе с  навозом в почву нередко попадают болезнетворные бактерии, яйца

гельминтов  и другие вредные организмы, которые  через продукты питания

попадают  в организм человека.

5)           Транспорт. При работе двигателей внутреннего

сгорания  интенсивно выделяются оксиды азота, свинец, углеводороды и другие

вещества, оседающие  на поверхности почвы или поглощаемые  растениями. Каждый

автомобиль  выбрасывает в атмосферу в  среднем в год 1 кг свинца в виде аэрозоля.

Свинец выбрасывается  в выхлопными газами автомобилей, осаждается на растениях,

проникает в  почву, где он может оставаться довольно долго, поскольку слабо

растворяется. Наблюдается ярко выраженная тенденция  к росту количества свинца в

тканях растений. Это явление можно сопоставить  со все увеличивающимся

потреблением  горючего, содержащего тетра-этил свинца. Люди, живущие в городе

около магистралей  с интенсивным движением, подвергаются риску аккумулировать в

своем организме  всего за несколько лет такое  количество свинца, которое намного

превышает допустимые пределы. Свинец включается в различные  клеточные ферменты,

и в результате эти  ферменты уже не могут выполнять  предназначенные им в

организме функции. В начале отравления отмечают повышенную активность и