Контрольная работа по "Экологии". 158

ВВЕДЕНИЕ

Слово "экология" образовано от греческого "ойкос" (дом) и "логос" (знание, наука). Его ввел в 1866 году немецкий биолог Эрнст Геккель. Буквально  экология является наукой о доме, в  котором мы живем. Поэтому в зависимости  от того, что мы считаем своим  домом, меняется смысл этого понятия. В общепринятом смысле под экологией  понимают науку об организмах, населяющих Землю, в которой особое внимание уделяется совокупности или характеру  связей между организмами и окружающей средой. Другими словами, экология - это наука о надорганизменных системах, то есть о “надсистемах”  или “метасистемах”.

Такое понимание экологии делает ее очень широкой наукой. Традиционно  под организмами мы понимаем многоклеточные существа или же простейшие одноклеточные, тогда в роли надорганизменных систем выступают экосистемы. Однако само многоклеточное существо является в  некотором смысле четко организованной колонией одноклеточных существ. Поэтому  все процессы внутри многоклеточного  организма также, в принципе, охватываются данным определением экологии (онкоэкология). Более того, сама клетка может рассматриваться  как некая четко упорядоченная  система сложномолекулярных соединений (молекулярная экология). С другой стороны, экология имеет также тенденцию  к расширению своего предмета в сторону  изучения систем более высоких иерархических  уровней. Так, например, биосфера рассматривается  как система, объединяющая в себе все локальные экосистемы Земли. Многие экологи всерьез заявляют, что не только верхняя оболочка планеты  пронизана жизнью, но вся планета, возможно, является грандиозным живым  существом. Если это так, то мы должны в корне изменить не только свое отношение к планете, которая  нас породила, но и все свое мировоззрение.

Любая наука становится точной, когда  удается сформулировать необходимый  минимум аксиом, на которые она  опирается. Эти аксиомы со временем могут уточняться или отвергаться.

Вопрос №1 Понятие о популяции. Что отражают статистические и динамические показатели популяциии? Какие экологические причины вызывают саморегуляцию плотности популяции.

Экологические факторы –  факторы среды, которые воздействуют на организмы и вызывают у них  приспособительные реакции. Изучением  этих проблем занимается один из разделов экологии, который называется аутэкология. Мы лишь частично мы затронули проблему взаимоотношения особей одного вида и разных видов друг с другом, рассматривая вопрос о биотических  отношениях. Рассматривая вопрос о  взаимоотношениях особей одного вида, мы продолжим заниматься изучением  проблем аутэкологии. И речь пойдет о популяциях.

Понятие «популяция».  Вплоть до настоящего времени нет четкого  определения понятия «популяция», которое бы удовлетворяло потребностям различных биологических направлений. Причиной этого является то, что  генетики в понятие «популяция»  вкладывают свой конкретный смысл (как  совокупность свободно скрещивающихся особей), систематики подходят с  позиций морфофункционального единства, биогеографы – с позиций исторически  обособленной группы организмов, характерной  для конкретного ландшафта или  группы ландшафтов, и т.д. С другой стороны, понятие «популяция» строится в зависимости от применяемого подхода  к ее изучению. В-третьих, и что, пожалуй, основное, споры ведутся о том, что же является наименьшей структурной  единицей вида, ибо популяции могут  подразделяться на микропопуляции или  объединяться в более крупные  популяционные системы.

Популяцией в экологии называют совокупность особей одного вида, находящихся во взаимодействии между собой  и населяющих общую  территорию. Члены популяции оказывают  друг на друга не меньшее воздействие, чем физико-химические факторы среды  или обитающие рядом организмы других видов. Поскольку контакты между особями одной популяции происходят чаще, чем между особями разных популяций, то именно внутривидовые отношения являются более напряженными, чем межвидовые.

В популяциях проявляются  в той или иной степени все  формы биотических отношений, но наиболее ярко выражены мутуалистические и конкурентные. Мутуализм – крайняя  степень ассоциации между особями, при которой каждый извлекает  выгоду из связи с другим организмом. Специфические внутривидовые связи  – это отношения, направленные на воспроизводство: между особями  разных полов и между родительскими  и дочерними поколениями.

Популяция представляет собой  форму внутривидовой организации  или форму существования вида, обеспечивающую наиболее полное использование  данной группой особей природных  ресурсов территории, к которой популяция  приурочена. Биологическое значение популяции состоит в наиболее полном и рациональном использовании  энергетических ресурсов, позволяющем  обеспечить оставление потомства. При  половом размножении обмен генами превращает популяцию в целостную  генетическую систему. Если размножение  происходит вегетативным путем (побегами, почками и т.д.) или другими  способами, то популяция представляет собой систему клонов, или чистых линий, совместно использующих среду.

В современной биологии популяция  рассматривается как элементарная единица в процессе эволюции, способная  реагировать на изменения среды  перестройкой своего генофонда.

Говоря об экологических  популяциях, необходимо отметить большое  разнообразие их масштабов. У одного и того же вида в разной среде  популяции могут сильно различаться. Эти различия обусловлены:

а) площадью ареала популяции  – они могут занимать территорию, сравнимую по площади с материком (популяции песца, кряквы), и могут  ограничиваться несколькими квадратными метрами (некоторые амфибии и моллюски);

б) количеством особей, образующих популяцию, – популяция может  объединять миллионы особей (комары) или  всего несколько десятков животных (крупные хищники);

в) количеством микропопуляций – одни популяции представлены множеством микропопуляций, приуроченных к разным биотопам, другие – едины в пространственном отношении.

Таким образом, популяции  представляют собой весьма разнообразные  видовые группировки, количество и  особенности которых соответствуют  пестроте и условиям местообитания, специфическим свойствам среды  и биологии самих животных.

Статические и  динамические показатели популяции. При описании структур и функционирования популяции используют две группы показателей. Если мы даем характеристику состояния популяции на конкретное данное время t, то мы используем статические показатели – количество особей в популяции, площадь ареала (пространства, где обитает данная популяция), плотность особей (средняя и в разных частях ареала), характер пространственного распределения особей, численность разных возрастных групп, численность особей разных полов, численность особей по разным размерам, численность здоровых и больных особей.

С другой стороны, эколога  всегда интересуют изменения, которые  происходят в популяции не только в пространстве, но и во времени. Именно такие наблюдения лежат в  основе моделирования характера  и степени устойчивости экосистем, зависимости поведения экосистем  в условиях экологических кризисов, в том числе и антропогенных. Экологу очень важно знать, какие  изменения произошли с популяцией за время от первого до второго  наблюдения t1-t0 = Dt. Иными словами, эколог должен определить, с какой интенсивностью происходят все возможно наблюдаемые изменения в популяции.

Следовательно, динамические (временные) характеристики популяций  связаны с понятием скорости, т.е., с какой скоростью происходят все изменения в популяции. К  динамическим характеристикам относятся  рождаемость, смертность, мгновенная скорость роста популяции, продолжительность  жизни и кривые выживания. Динамические характеристики всегда строятся по конкретным изменениям, которые произошли в  статических структурах. Поэтому  классификация популяций по статическим структурам чрезвычайно важна.

Основными статическими показателями структуры популяций являются численность  и распределение организмов в  пространстве, а также соотношение  разнокачественных особей. В популяции  выделяют половые и возрастные группы и соответственно различают половую  и возрастную структуру популяций. Обе эти характеристики иногда объединяют, говоря обобщенно о демографической  структуре популяции. Кроме того, популяцию характеризует пространственная и этологическая (т.е. связанная с  поведением) структура. Знание структуры  популяции позволяет оценивать  не только состояние популяции в  данный момент, но и представить  направление ее дальнейшего развития.

Исходя из вышесказанного, популяции можно также классифицировать по их пространственной и возрастной структуре, по постоянству приуроченности или смене сред обитания и другим экологическим критериям.

Одним из важнейших механизмов внутрипопуляционной регуляции  численности выступает эмиграция, интенсивность которой стимулируется  повышением плотности популяции. Это  довольно типично для многих насекомых, у которых при определенной величины плотности популяции отмечается выселение части особей, иногда значительной, в менее предпочитаемые ими места  обитания того же ареала. У некоторых  видов тлей повышение плотности  популяции сопровождается появлением крылатых особей, способных расселяться. При переуплотнении популяции эмиграции  происходят у ряда млекопитающих (особенно у мышевидных грызунов и птиц) и птиц.

Достаточно изучена регулирующая роль внутривидовой конкуренции  за ограниченные ресурсы. У падальных  мух из огромного количества откладываемых  на труп яиц выходит так много  личинок, что пищи на всех не хватает. В результате катастрофически растет смертность в ранних возрастах. Сходное  явление обнаружено у короедов (Scolytidae), муравьев-лазиусов  (Lasius), у некоторых стрекоз (Odonata) и других насекомых.

В наиболее простых случаях  внутрипопуляционные регуляторные механизмы численности проявляются  в виде непосредственной конкуренции  за необходимые для жизни ресурсы, количество которых недостаточно для  удовлетворения потребностей всех особей. Известно, что плотность популяции  яблонной плодожорки и капустной  моли регулируется конкуренцией за пищу и места для окукливания. Внутривидовая  конкуренция у некоторых мух  в случае возрастания плотности  популяции до определенного уровня приводит к падению массы куколок, что сопровождается повышенной смертностью.

Важной является проблема «минимальной жизнеспособности популяции», суть которой состоит в определении  минимальной численности популяции, которая гарантировала бы ее существование  в течение какого-то длительного  периода. В тоже время падение  плотности популяции ниже уровня оптимума, например при усиленном  истреблении крыс, вызывает повышение  плодовитости и стимулирует их более  раннее половое созревание.

Некоторые механизмы регуляции  численности популяции одновременно могут выступать и как механизмы, предотвращающие внутривидовую  конкуренцию. Так, если птица отмечает свой гнездовой участок пением, то другая пара этого же вида гнездится  за приделами этого участка. Метки  оставляемые многими видами млекопитающими, ограничивают их охотничий участок  и предупреждают вселение других особей. Все это снижает внутривидовую конкуренцию и препятствует чрезмерному уплотнению популяции.

Изменение плотности популяции  может иметь рефлекторное, или  сигнальное действие. В случаи высокой  плотности такая сигнализация регулярным путем приводит к сокращению численности  популяции, а при малой плотности - ее усиленному размножению и росту. Как было установлено С.С. Шварцем, у земноводных и крыс такая  сигнализация имеет химическую природу. Приведем пример, подтверждающий этот вывод. Если воздух из клетки с переуплотненной  популяции крыс подавать в клетку с разреженной популяцией, физиология особей последней изменяется в направлении, характерном для популяции с  повышенной плотностью.

У растений регуляторными  механизмами численности популяций  служит, прежде всего, внутривидовая  конкуренция. Она обычно связана  с повышенной густотой произрастания. В переуплотненных посевах, например, происходит уменьшение количества семенной продукции, что имеет большое  значение для сельского и лесного  хозяйства. Чаще всего растения одного вида конкурируют за свет и влагу. В густых посевах они затеняют друг друга, при ограниченном количестве воды  испытывают ее недостаток. В  результате часть их погибает. Такое  явление наиболее характерно для  многих огородных культур и лесных растений. В лесу всегда значительно  больше молодых растений, чем старых. Внутривидовой конкуренцией за влагу  объясняется не редко встречающаяся  правильное распределение пустынных  растений. Создается впечатление, словно их кто-то рассадил на строго определенном расстоянии друг от друга. В понижениях местности, в оазисах это равномерная  разреженность популяции растений сразу же исчезает. Подобным же образом  распределяется в африканских саваннах светолюбивые и относительно влаголюбивые баобабы.

Однако следует учитывать, что популяция обычно входит в  состав сообщества и что устойчивое существование биоценозов возможно только при определенных количественных соотношениях всех компонентов. Этим и  вызвано необходимость регуляции численности, обеспечивающей устойчивое состояние, как отдельных популяций, так и биоценозов в целом. Механизмы регуляции численности популяций,  основаны на сложных межвидовых взаимоотношениях.

Вопрос №2. Что описывает диапазон толерантности (экологической валентности)? Как подразделяют живые организмы по ширине диапазона их толерантности.

Существование любого организма зависит  от определенных условий. Но это не значит, что чем больше тепла или  пищи, тем лучше для организма.

В 1840 г. немец химик Юстус Либих установил, что урожай культур ограничивается (лимитируется) теми элементами, которых мало. Выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи экологических потребностей. В изобилии Н₂О и СО₂, а содержание Fe, Zn, Mo мало, потребность в них невелика, рост растений продолжается, пока не израсходуется запас Zn. Zn – лимитирующий фактор.

Закон минимума Либиха:

Рост и развитие организма зависят  от тех факторов природной среды, значение которых приближается к  экологическому минимуму.

Другая трактовка закона Либиха: выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его  экологических потребностей – жизненные  возможности лимитируются экологическими факторами, количество и качество которых  близко к необходимости организму min.

Ограничения закона минимума:

- закон Либиха строго применим  только в условиях стационарного  состояния системы;

- организм в определенной мере  способен заменить дефицитное  вещество или фактор иным функционально  близким веществом или фактором.

Ограничивать развитие живых организмов могут не только те экологические  факторы, которых минимум, но и максимальные, т.е. избыток факторов (тепло, вода, свет).

Закон толерантности (максимума) В.Э.Шелфорда (1913г.): присутствие организма в  данном местообитании зависит от комплекса экологических факторов. Lim фактором может быть min и max экологического воздействия, диапазон между которыми определяет величину выносливости (толерантности). Смысл: плохо и недокормить и перекормить.

Применение закона max важно при оценке успешности культивирования растений, выращивания сельскохозяйственных животных, оценке возможности акклиматизации диких видов. Например, избыток воды вреден, вода как загрязнитель окружающей среды (засушливый год, сырой год).

Диапазон экологического фактора между минимумом и  максимумом – предел толерантности.

Диапазон любого экологического фактора, наиболее благоприятный для  жизнедеятельности, называется экологическим  оптимумом. Значения фактора, лежащие  в зоне угнетения, называются экологическим  пессимумом. Свойство организмов адаптироваться к существованию в том или  ином диапазоне экологического фактора  называется экологической пластичностью.

Организмы, способные существовать лишь в узких пределах условий  внешней среды – стеноэки. Организмы, которые приспосабливаются к более изменчивым условиям, эвриэки.

Экологическая валентность – способность заселять разнообразные среды.

Сумма экологических валентностей  - экологический спектр.

Экологическая валентность – способность заселять разнообразные среды.

Сумма экологических валентностей  - экологический спектр.

Организмы с широким диапазоном толерантности ко всем факторам широко распространены в природе и часто  бывают космополитами, например, патогенные микроорганизмы.

Организмы могут иметь  широкий диапазон в отношении  одного фактора и узкий диапазон относительно другого. Например, люди более выносливы к отсутствию пищи, чем к отсутствию воды.

Если  условия по одному из экологических  факторов становятся неоптимальными, то может измениться и предел толерантности  по другим факторов. Например, при недостатке азота требуется больше воды.

Наблюдаемые в природе  реальные пределы толерантности  меньше потенциальных возможностей организма адаптироваться к данному  фактору. Пределы толерантности  к физическим условиям среды  могут  сужаться биотическими отношениями (конкуренция, отсутствие опылителей, хищники).

Пределы толерантности у  размножающихся особей и потомства  меньше, чем у взрослых особей, т.е. самки в период размножения и  их потомство менее выносливы, чем  взрослые организмы. Так, географическое распределение промысловых птиц чаще определяется влиянием климата  на яйцо и птенцов, а не на взрослых птиц.

Экстремальные значения одного из факторов ведут к снижению предела  толерантности по другим факторам. Если в реку сбрасывается нагретая вода, то рыбы и другие организмы  тратят почти всю свою энергию  на преодоление стресса. Психологический  стресс может вызвать многие соматические заболевания и у человека и  у животных.

Организмы способны менять толерантность к отдельным факторам, если условия меняются постепенно (закаливание). Неожиданное, без предупреждающих сигналов, даже небольшое изменение может оказаться критическим – наступает пороговый эффект.

Вопрос №3. Использование природных ресурсов и проблема загрязнения ОПС.

Использование природных  ресурсов.

Природные ресурсы - это объекты  и силы природы, используемые человеком  для поддержания своего существования. К ним относятся солнечный  свет, вода, почва, воздух, полезные ископаемые, энергия приливов и отливов, сила ветра, растительный и животный мир, внутриземная теплота и др.

Человек использует природные  ресурсы в качестве источников энергии, предметов потребления, средств  и предметов труда и др.

На фоне роста масштабов  производства на первый план выступает  вопрос об ограниченности природных  ресурсов, необходимых для удовлетворения потребностей цивилизации, и о путях  их рационального использования.

Человечество не может  существовать, не используя природных  ресурсов, не влияя на их количество и качество, а следовательно, не внося  изменений в окружающую его природную  среду.

Природные ресурсы классифицируют по ряду признаков:

- по их использованию - на производственные (сельскохозяйственные и промышленные), здравоохранительные (рекреационные), эстетические, научные и др.;

- по принадлежности к тем или иным компонентам природы - на земельные, водные, минеральные, а также на животный и растительный мир и др.;

- по заменимости - на заменимые (например, топливно-минеральные энергетические ресурсы можно заменить ветровой, солнечной энергией) и незаменимые (кислород воздуха для дыхания или пресную воду для питья заменить нечем);

- по исчерпаемости - на исчерпаемые и неисчерпаемые.

К неисчерпаемым природным  ресурсам относятся преимущественно  процессы и явления, внешние по отношению  к нашей планете и присущие ей как космическому телу. Прежде всего - это ресурсы космического происхождения, например, энергия солнечного излучения  и ее производные - энергия движущегося  воздуха, падающей воды, морских волн, приливов и отливов, морских течений, внутриземная теплота.

К исчерпаемым ресурсам относятся  все природные тела, находящиеся  в пределах земного шара как физического  тела, имеющего конкретную массу и  объем. В состав исчерпаемых ресурсов входит животный и растительный мир, минеральные и органические соединения, содержащиеся в недрах Земли (полезные ископаемые).

По способности к самовосстановлению все исчерпаемые ресурсы условно  можно классифицировать на возобновимые, относительно возобновимые и невозобновимые

Возобновимые ресурсы - это  ресурсы, способные к восстановлению через различные природные процессы за время, соизмеримое со сроками их потребления. К ним относятся растительность, животный мир и некоторые минеральные ресурсы, осаждающиеся на дно современных озер и морских лагун.

Невозобновимые ресурсы - это ресурсы, которые совершенно не восстанавливаются или скорость их восстановления настолько мала, что практическое использование  их человеком становится невозможным.

К ним относятся, в первую очередь, руды металлов и неметаллов, подземные воды, твердые строительные материалы (гранит, песок, мрамор и т. п.), а также энергоносители (нефть, газ, каменный уголь).

Особую группу составляют земельные ресурсы. Почва представляет собой биокосное тело, возникшее  в результате различных форм выветривания (физического, химического, биологического) горных пород в обстановке различного климата, рельефа и в условиях земной гравитации.

Почвообразовательный процесс  длителен и сложен. Известно, что  слой черноземного горизонта толщиной 1 см образуется примерно за столетие.

Таким образом, будучи в принципе возобновимым ресурсом, почва восстанавливается  в течение очень длительного  периода времени (многие десятилетия  и даже столетия), что дает основания  оценивать ее как относительно возобновимый ресурс.

Особое положение имеют  два важнейших природных тела, являющихся не только природными ресурсами, но и одновременно основными составляющими  среды обитания живых организмов (природные условия): атмосферный  воздух и вода. Будучи неисчерпаемыми в количественном отношении, они  являются исчерпаемыми качественно (по крайней мере, в отдельных регионах). Воды на Земле достаточно, вместе с  тем запасы пресной воды, пригодные  к использованию, составляют 0,3% от общего объема.

Подобное положение характерно и для атмосферного воздуха, который  в ряде крупных городов и промышленных центров так сильно загрязнен, что  содержащиеся в нем примеси оказывают  вредное воздействие на людей  и другие живые организмы.

В 1957 году П. Дансеро сформулировал  закон необратимости взаимодействия "Человек - Биосфера", согласно которому часть возобновимых природных ресурсов (животных, растительных) может стать  исчерпаемой, невозобновляемой, если человек  при нерациональных сельскохозяйственных, гидротехнических, промышленных и других мероприятиях сделает невозможным  их жизнедеятельность и воспроизводство.

Так, неконтролируемая охота  на стеллерову корову привела к ее исчезновению как биологического вида. То же самое произошло и с некоторыми другими видами животных.

В целом за последние 400 лет  с лица Земли исчезло свыше 160 видов млекопитающих и птиц. В  настоящее время, по данным Международного союза охраны природы (МСОП), в результате человеческой деятельности ежегодно исчезает по одному виду животных и растений.

Деление ресурсов по какому-то признаку весьма условно, поскольку  один и тот же ресурс, например, вода в озере, может быть использован  как для промышленных, сельскохозяйственных и рыбоводческих нужд, так и  для рекреационных целей или  просто имеет большую эстетическую ценность. При этом часто в действие вступает правило материального  ресурса, согласно которому использование  ресурса в одних целях затрудняет или исключает использование  в других. Если в озеро сбрасываются отходы промышленного предприятия, даже в значительной мере очищенные, использование воды в целях рыбоводства  и оздоровления населения затрудняется или становится невозможным.

В связи с этим в каждом конкретном случае необходимо рассматривать  целую сеть природных взаимосвязей и определять оптимальный вариант, приемлемый как для природы, так и для общества.

Процесс эксплуатации природных  ресурсов в целях удовлетворения материальных и культурных потребностей общества называется природопользованием.

Человечество интенсивно изменяет процессы круговорота всех химических веществ не только на локальном, но и на биосферном (глобальном) уровне.

Для того чтобы создать  необходимую продукцию, получить энергию, сырье, человек находит и добывает природные ресурсы, перевозит их к местам переработки, производит из них необходимые предметы. Таким  образом, человек вовлекает природные ресурсы в ресурсный цикл.

Под ресурсным циклом понимают совокупность превращений и пространственных перемещений определенного вещества (или группы веществ) на всех этапах использования его человеком (включая  его выявление, подготовку к эксплуатации, извлечение из природной среды, переработку, превращение и возвращение в природу).

Слово "цикл" предполагает замкнутость процесса. Известно, что  в природе все химические вещества (вода, газы, металлы) движутся по замкнутому циклу. Ресурсный цикл как круговорот фактически не замкнут.

Концепция ресурсных циклов была предложена И. В. Комаром. Он выделил  следующие ресурсные циклы: цикл энергоресурсов и энергии с гидроэнергетическим  и энергохимическим подциклами; цикл металлорудных ресурсов и металлов с коксохимическим подциклом; цикл неметаллического ископаемого сырья  с подциклами горно-химических и  минеральных строительных материалов; цикл почвенно-климатических ресурсов и сельскохозяйственного сырья; цикл лесных ресурсов и лесоматериалов; цикл ресурсов дикой фауны и флоры.

Как легко заметить, первые три цикла связаны с невозобновимыми  ресурсами, а остальные - с возобновимыми  природными ресурсами.

 Что касается невозобновимых  ресурсов, то их истощение со  временем неизбежно, и задача  заключается не столько в том,  чтобы растянуть эти ресурсы  на более длительный срок, сколько  в том, чтобы до исчерпания  того или иного природного  ресурса найти ему заменитель  природного или искусственного  происхождения либо изыскать  возможность его регенерации  за счет использования вторичного  сырья.

Проблемы загрязнения ОПС.

По масштабам загрязнение  окружающей среды можно разделить  на локальное, региональное и глобальное. Эти три вида загрязнения тесно  связаны между собой. Как правило, первичным является локальное загрязнение, которое, если скорость процесса загрязнения  больше скорости естественного очищения, переходит в региональное и затем  при накоплении количественных изменений - в глобальное изменение качества окружающей среды. Для глобального загрязнения наиболее важным является временный фактор. При современных уровнях загрязнения вредные вещества от источника загрязнения распространяются на десятки и сотни километров. Классификация загрязнений не менее сложна и запутана, чем классификация озер или других природных явлений. Широко распространены классификации по типам среды (воздух, вода, почва и т. п.) и по загрязняющим факторам (свинец, углекислый газ, твердые отходы и т. д.). С точки зрения уменьшения загрязнения в целом важно различать прежде всего два основных типа загрязнения.