Абиотические факторы и их действие

9. Абиотические  факторы и их действие.

 

К основным абиотическим факторам среды относят свет, тепло, наличие влаги, содержание кислорода  в воздухе и т.п. Живые организмы  настолько физиологически зависимы от них, что не могут существовать в среде, где отсутствует хотя бы один из этих факторов. Например, при недостатке влаги в растении останавливаются процессы транспирации, терморегуляции и обмена веществ. Со временем организм погибает. Попытки заменить недостающий фактор, каким либо другим не дадут положительного результата. Так, бессмысленно удобрять увядающее от засухи растение.

Впервые это положение  было изложено В.Р.Вильямсом и называется в настоящее время законом  незаменимости фундаментальных  факторов. Согласно ему полное отсутствие какого-либо фундаментального фактора среды нельзя заменить другим фактором.

Что же касается иных, нефундаментальных  факторов, то их отсутствие или недостаток может быть в некоторых случаях  компенсировано действием аналогичного или близкого фактора. Например, при  недостатке в продуктах питания ионов Са++ они могут быть замещены ионами Sr++ (в т.ч. радиоактивного). Этот эффект известен как закон Э.Рюбеля или закон компенсации (взаимозаменяемости) факторов.

Все абиотические факторы, как фундаментальные, так и не фундаментальные, в природных условиях всегда действуют на живой организм одновременно и совместно. Их совместное действие нельзя игнорировать и сводить все к закону минимума (или закону толерантности Шелфорда). Дело в том, что при взаимодействии факторов (каждый раз – разном) смещаются зоны оптимума и пессимума каждого из них. Любой организм, стремясь выжить, пытается любым способом снизить негативное действие неблагоприятного фактора и максимально использовать оптимальные условия.

Например, увядание растений, вызванное попаданием в почву избыточных количеств каких-либо веществ – загрязнителей, может быть предотвращено за счет увеличения влагопотребления (смещение зоны оптимума) для снижения концентрации этих веществ в клеточном соке.

Совокупность абиотических факторов в пространственных рамках экосистемы для каждой популяции представлена в виде местообитания или стации.

 Например, луговое  растение бекмания обыкновенная (Beckmannia eruciformis L.) во всех луговых  экосистемах занимает самые сырые  стации, колорадский жук (Leptinotarsa decem-lineata Say) обитает на посадках пасленовых (в первую очередь картофеля) во всех полевых агроэкосистемах и т.д. Это свойство видов занимать «свои» стации называется принципом стациальной верности.

 

Солнечное излучение – основной источник энергии для экосистемы. Оно – великое благо для всего живого и одновременно фактор, устанавливающий жесткие рамки для его существования.

Прямое или рассеянное солнечное излучение не требуется  лишь небольшой группе живых существ  – некоторым видам грибов, глубоководных рыб, почвенных микроорганизмов и т.п.

Основу биоценозов средней  полосы России, как и большинства  наземных экосистем, составляют продуценты. Использование ими солнечного света  ограничивается рядом естественных факторов и, в первую очередь, температурными условиями. В связи с этим выработались особые приспособительные реакции в виде ярусности, мозаичности листьев, фенологических различий и т.п. По требовательности к условиям освещения растения делятся на световые или светолюбивые (подсолнечник, подорожник, томат, акация, дыня), теневые или несветолюбивые (лесные травы, мхи) и теневыносливые (щавель, вереск, ревень, малина, ежевика).

 

Растения формируют  условия существования других видов  живых существ. Именно поэтому так  важна их реакция на условия освещения. Загрязнение окружающей среды приводит к изменению освещенности: снижению уровня солнечной инсоляции, уменьшению количества фотосинтетически активной радиации (ФАР часть солнечной радиации с длиной волны от 380 до 710 нм), изменению спектрального состава света. В итоге это разрушает ценозы, основанные на приходе солнечного излучения в определенных параметрах.

 

Температура.

Для естественных экосистем  нашей зоны температурный фактор наряду со светообеспечением является определяющим для всех жизненных процессов. Активность популяций зависит от времени года и времени суток, т.к. в каждый из этих периодов свои температурные условия.

 

Особи многих видов не способны поддерживать постоянную температуру  тела и в холодное время года или  суток снижают уровень жизненных процессов вплоть до анабиоза. В первую очередь это касается растений, микроорганизмов, грибов и пойкилотермных (холоднокровных) животных. Активность сохраняют только гомойотермные ( теплокровные) виды. Гетеротермные организмы, находясь в неактивном состоянии, имеют температуру тела не на много выше температуры внешней среды; в активном состоянии - достаточно высокую ( медведи, ежи, летучие мыши, суслики).

 

Терморегуляция гомойотермных  животных обеспечивается особым типом  обмена веществ, идущим с выделением в организме животных тепла, наличием теплоизолирующих покровов, размерами, физиологией и т.д.

 

Что же касается растений, то они выработали в процессе эволюции ряд свойств:

1.Холодостойкость –  способность переносить длительное  время низкие положительные температуры (от ОоС до +5оС);

2.Зимостойкость –  способность многолетних видов  переносить комплекс зимних неблагоприятных  условий; 

3.Морозостойкость –  способность переносить длительное  время отрицательные температуры; 

4.Анабиоз – способность переносить период длительного недос-татка экологических факторов в состоянии резкого снижения обмена веществ;

5. Жаростойкость –  способность переносить высокие  ( св. +38о…+40оС) температуры без существенных  нарушений обмена веществ; 

6.Эфемерность – сокращение онтогенеза (до 2-6 мес.) у видов, произрастающих в условиях короткого периода благоприятных тем-пературных условий.

 

Устойчивость  к перепадам температурных условий.

Тепловое загрязнение  окружающей среды приводит к сдвигу фенологических фаз развития живых организмов или к аномальным изменениям на определенных этапах онтогенеза. В итоге ряд популя-ций не успевают или не могут дать полноценное потомство, некото-рые не успевают подготовиться к периоду неблагоприятных условий и погибают. Глобальное потепление климата на + 0,5..1,5оС, по мнению большинства специалистов, приведет к катастрофическим последствиям для биосферы.

 

Влажность.

Условия влагообеспечения в нашей зоне достаточно благоприятны для существования организмов. Большая  часть живых существ на 70-95% состоит из воды. Вода нужна для всех биохимических и физиологических процессов. Поэтому она так важна для биоценозов всех экосистем.

Доступность влаги в  разные периоды года и суток различна. В процессе эволюции живые организмы  приспособились регулировать уровень водопотребления и поддерживать оптимальный состав внутренней среды.

 

Влагопотребление  растений может быть охарактеризовано следующими показателями:

1.Засухоустойчивость- способность  переносить пониженную атмосферную  и (или) почвенную засуху;

2.Влагоустойчивость - способность переносить переувлажнения; 3.

Коэффициент транспирации - количество воды, расходуемое на образование  единицы сухой массы (для капусты  белокачанной 500-550, для тыквы-800);

4.Коэффициент суммарного  водопотребления – количество воды, расходуемое растением и почвой на создание единицы биомассы (для луговых трав – 350-400 м3 воды на одну тонну биомассы);

5.Нарушение водного  режима, загрязнение поверхностных  вод опасно, а в некоторых случаях  губительно для ценозов. Изменение круговорота воды в биосфере может привести к непредсказуемым последствиям для всех живых организмов.

 

Воздушно-газовый  режим

Атмосфера Земли имеет  достаточно устойчивый состав. 21% кислорода  в приземном слое воздуха обеспечивает полноценное дыхание всем организмов в естественных экосистемах. 0,03% диоксида углерода- достаточно для фотосинтетических реакций растений. Горизонтальное и вертикальное перемещение воздушных масс создает необходимый воздухообмен для всех обитателей экосистемы – от почвенных микроорганизмов до насекомых и птиц.

Воздушно-газовый режим  может быть нарушен в естественных условиях очень редко (например, при  извержении вулкана), в антропических  – достаточно часто. Главные загрязнители воздуха в наших условиях –  оксид углерода, диоксид серы, диоксид азота, формальдегид, пыль. Затрудняя фотосинтез, дыхание, многие другие физиологические процессы, а в некоторых случаях видоизменяя их, загрязнение атмосферы приостанавливает или прекращает рост и развитие живых организмов, приводя в отдельных случаях к их гибели.

Абиотические факторы  среды только тогда будут полноценно играть свою экологическую роль, когда  последствия жизнедеятельности  человека будут в пределах способности  биосферы к самоочищению и самовосстановлению.

 

 

 

19. Гомеостаз и  сукцессия экосистем.

 

Сукцессия - последовательное изменение биоценозов, которое возникает на одной и той же территории (биотопе) под влиянием естественных или антропогенных факторов.

 

Экосистемы — открытые термодинамические функционально целостные системы, которые существуют за счет поступления из окружающей среды энергии и частично вещества и которые саморазвиваются и саморегулируются.

 

Гомеостаз — состояние внутреннего динамического равновесия естественной системы, которая поддерживается путем регулярного восстановления основных ее структур, вещественно-энергетического состава т.е. постоянной функциональной саморегуляции ее компонентов. Это состояние характерный для всех природных систем — от атома и организма к Галактике. Слово «гомеостазис» можно перевести как «сила устойчивости»

 

Гомеостаз и  сукцессия экологической системы.

 

Естественные экосистемы существуют сотни и тысячи лет, и  обладают определённой стабильностью во времени и пространстве.

Состояние подвижно-стабильного  равновесия экосистемы называется гомеостазом.

 

Для естественной экосистемы гомеостаз поддерживается тем, что  такие системы открыты, т.е. происходит непрерывный обмен веществом, энергией и информацией с окружающей средой. В отличие от естественных экосистем, антропогенные системы не могут существовать без вмешательства человека. И для того, чтобы они находились в состоянии гомеостаза, необходимо управляющее воздействие человека. Практически во всех экосистемах их биотическая часть медленно изменяется во времени.

Сукцессия - это последовательная смена одного биоценоза другим.

Кроме естественной сукцессии  возможна антропогенная сукцессия.

Энергия в экосистемах.

 

Структуры водной и наземной экосистемы.

 

Экосистемы не являются однородными структурами как  в пространстве, так и во времени. Для наземной экосистемы характерна ярусность, т.е. разделение на разновысокие структурные части. Для каждого яруса чаще всего характерен собственный биоценоз.

 

Виды живых организмов, которые преобладают в экосистемах, называются доминантными.

Виды, которые не только преобладают, но и определяют режимы абиотических факторов, называются эдификаторами.

 

Экологический гомеостаз

 

Экологический гомеостаз  наблюдается в климаксовых сообществах  с максимально возможным биоразнообразием при благоприятных условиях среды.

 

Развитие начинается с пионер сообщества и заканчивается  на климаксовом сообществе. Это климаксовое  сообщество образуется, когда флора  и фауна пришла в баланс с местной  средой.

 

Подобные экосистемы формируют гетерархии, в которых  гомеостаз на одном уровне способствует гомеостатическим процессам на другом комплексном уровне.

К примеру, потеря листьев  у зрелого тропического дерева даёт место для новой поросли и  обогащает почву. В равной степени  тропическое дерево уменьшает доступ света на низшие уровни и помогает предотвратить инвазию других видов. Но и деревья падают на землю и развитие леса зависит от постоянной смены деревьев, круговорота питательных веществ, осуществляемого бактериями, насекомыми, грибами. Схожим образом такие леса способствуют экологическим процессам — таким, как регуляция микроклиматов или гидрологических циклов экосистемы, а несколько разных экосистем могут взаимодействовать для поддержания гомеостаза речного дренажа в рамках биологического региона. Вариативность биорегионов так же играет роль в гомеостатической стабильности биологического региона, или биома.

 

Биологический гомеостаз

 

Гомеостаз выступает  в роли фундаментальной характеристики живых организмов и понимается как  поддержание внутренней среды в  допустимых пределах.

 

Внутренняя среда организма включает в себя организменные жидкости — плазму крови, лимфу, межклеточное вещество и цереброспинальную жидкость. Сохранение стабильности этих жидкостей жизненно важно для организмов, тогда как её отсутствие приводит к повреждению генетического материала.

 

В отношении любого параметра  организмы делятся на конформационные  и регуляторные. Регуляторные организмы  сохраняют параметр на постоянном уровне, независимо от того, что происходит в среде. Конформационные организмы  позволяют окружающей среде определять параметр.

Например, теплокровные животные сохраняют постоянную температуру  тела, тогда как холоднокровные демонстрируют  широкий диапазон температур.

 

Речь не идёт о том, что конформационные организмы  не обладают поведенческими приспособлениями, позволяющими им в некоторой степени регулировать взятый параметр. Рептилии, к примеру, часто сидят на нагретых камнях утром, чтобы повысить температуру тела.

 

Преимущество гомеостатической регуляции состоит в том, что  она позволяет организму функционировать более эффективно.

Например, холоднокровные животные, как правило, становятся вялыми при низких температурах, тогда как  теплокровные почти так же активны, как и всегда. С другой стороны, регуляция требует энергии. Причина, почему некоторые змеи могут есть только раз в неделю, состоит в том, что они тратят намного меньше энергии для поддержания гомеостаза, чем млекопитающие.

 

Гомеостаз в  организме человека

 

Разные факторы влияют на способность жидкостей организма  поддерживать жизнь. В их числе такие параметры, как температура, солёность, кислотность и концентрация питательных веществ — глюкозы, различных ионов, кислорода, и отходов — углекислого газа и мочи. Так как эти параметры влияют на химические реакции, которые сохраняют организм живым, существуют встроенные физиологические механизмы для поддержания их на необходимом уровне.

 

Гомеостаз нельзя считать  причиной процессов этих бессознательных  адаптаций. Его следует воспринимать как общую характеристику многих нормальных процессов, действующих совместно, а не как их первопричину. Более того, существует множество биологических явлений, которые не подходят под эту модель — например, анаболизм.

 

29. Пути решения  проблемы сырьевых ресурсов.

    2.Химия в  решении сырьевой проблемы.

  С начала XVI в. из недр Земли было извлечено 50 млрд.т углерода, 2  млрд.т

железа, 20 млн т меди, 20 тыс. т  золота.За  последние  30  лет   цветных  и

редких металлов добыто больше,чем за всю предыдущую историю.

 Превращение сырья   в  более  ценные  химические  вещества,создание  из  них

материалов, нужных  человеку,  является  главной  целью  любого  химического

производства. Потребность  в них удваивается каждые 11 лет.Переработка  сырья

химическими  способами  требует  от  10  до  20  млрд.  т  в  год  основного

окислителя - кислорода, кроме того, 2.5 млрд. т угля как топлива  и  столько

же нефти. Из этих  примеров  видно,  каких  масштабов  достигло  потребление

сырья промышленными  предприятиями.

  Сегодня понятно  всем, что кладовая Земли не  бездонна.И  если  необходимые

(необходимое используется, а остальное идёт в отходы !)  и  легко  доступные

(доступное сегодня  !) полезные ископаемые  извлекать   так  же,  как  и   это

делалось и в начале века, то они быстро иссякнут.  Конечно,  мы  знаем,  что

ничто из ничего не возникает и не исчезает бесследно, т.  е.  использованные

вещества, материалы, отслужив свой век, разлагаются,  распадаются,  но  ведь

химические элементы, из которых они состоят,рассеиваются в биосфере.  Задача

состоят в том, чтобы  устранить эти потери.

  Какие же пути решения сырьевой проблемы намечены на данном  этапе  научно-

технического прогресса  и в перспективе?

  Для сохранения  природных ресурсов у человечества  в  будущем  есть  только

один  выход:  замкнуть  цикл   обмена   веществ,   перейдя   от   технологии

геохимически открытой системы к технологии  геохимически  замкнутого  цикла.

Живая природа  -  это  "безотходное  производство".  Отходы  какого-то  вида

жизнедеятельности в  природе экосистеме утилизируется  либо в  ней  самой,либо

в связанных с  ней системах.  Лишь  какое-то  количество  веществ (главным

образом, минерализированных), для которых в данный момент  нет  потребления,

"складируются" в  виде известняка,  торфа,  угля,  растворённых  в  природных

водах солей и т. д.,

участвуя лишь в геологическом круговороте веществ.

   Химизация   производства  по   технологии   замкнутого   цикла   позволяет

использовать   все   вещества,   изымаемые   из   природы,   по    различным

направлениям.Иллюстрацией может служить один  из  самых  старых  примеров  -

коксохимическое производство, при котором из каменного угля  получают  кокс,

горючий газ и другие продукты сухой перегонки. В настоящие  время  такая  же

задача ставится в  отношении переработки других видов  сырья, например леса.

   Нефть  из  Северного  моря  давно  является  сырьём  для   промышленности

европейских  стран.Ведутся  разработки  шельфов  Северной  Америки.   Сейчас

начата добыча серы со дна Мексиканского залива.В России  работают  старейшие

шельфовые месторождения  нефти и газа на Каспии.

  В рамках  общей  задачи освоения  и  рационального   использования  Мирового

океана  химики  ведут  поиски  путей  извлечения  из  морской  воды   ценных

элементов.Общие запасы некоторых из  них  в  океане  оцениваются  следующими

значениями (в т): фтора - 2*1012,иода -93*109,

цинка - 16*109, олова,свинца,ртути - 50*106,золота - 6*106.

  Поверхностные   залежи  полезных  ископаемых  стремительно  вырабатываются,

угольные комбайны всё  глубже  и  глубже  вгрызаются   в  пласты,  бурение  в

поисках нефти и газа  ведётся  уже  на  отметке  15  км.  Современные  шахты

Донбасса имеют глубину 800 - 1500 м.

  В содружестве  с химией и другими науками  развивается новая отрасль   знаний

о методах и средствах  бесшахтной добычи сырья  и  о  создании  искусственных

месторождений - геотехнология.В чём же  её  новизна?  К  подземному  пласту,

содержащему, например, уран, цинк, или  другие  металлы,  через  пробуренную

скважину подводится  химический  растворитель  или  окислитель.  Под  землёй

происходит  химико-физический  процесс растворения,  и насыщенная  ценными

компонентами  жидкость выкачивается на поверхность, где и   перерабатывается

химическими методами.Такой  способ подземного выщелачивания  позволяет  резко

увеличить эффективность  эксплуатации минеральных ресурсов.

    Современная    наука    считает    весьма    перспективным    применение

микроорганизмов.Новая   отрасль   -   биометаллургия   -    базируется    на

закономерностях биохимических  процессов.  При  этом  не  требуется  сложное

оборудование, столь  необходимое для пирометаллургии,  расходуется меньше

энергии.  Метод  использования  микроорганизмов  давно  уже  применяется   в

России,  США,  Канаде,   Австралии   для   восстановления   серебра,   меди,

никеля,свинца, урана и цинка.

   Микроорганизмы  с  немалым   успехом   трудятся   и   в   горнодобывающей

промышленности, косвенно помогая  ускорить и обезопасить подземные  выработки

угля. Накапливающийся газ метан  в угольных шахтах,  смешиваясь  с  воздухом,

образует взрывоопасную смесь.  На  вентиляцию  забоев  расходуется  огромное

количество электроэнергии. Но  не  всегда  даже  мощные  установки  успевают

удалить  опасные  скопления  метана.  Теперь  на  некоторых   шахтах   через

пробуренные скважины  в  забои  к  пластам  угля  подводят  метаноокисляющие

бактерии в виде заранее приготовленной суспензии. Бактерии поглощают до  60%

метана, освобождают от него пласт  ещё до начала его разработки.

  Химики создают новые материал, основываясь на  знаниях   физико-химических

свойств природных вещесттв и геохимических закономерностей  их образования  и

строения.

  Нарастает дефицит  углеводородного сырья, а поэтому  проблема  использования

нефти,  угля  и  газаа  в  качестве  сырья  ,а  не  топлива  имеет   сегодня

первостепенную задачу. Современному человеку трудно представить,  что  почти

200 лет тому назад  нефть использовали лишь как   смазку  для  колёс  повозок,

как  лекарство  и  горючие  для  светильников.  Потребление  нефти   сегодня

составляет более 4 млрд.т,  а  в  2000г.  будет потреблятся 6-7  млрд.  т.

Нефтеперерабатывающие предприятия производят  непредельные  и  ароматические

углеводороды (этилен, толуол, ксилол) и газовые смеси оксида  углерода  (II)

с водородом. Из них синтезируют  десятки тысяч  других  полезных  материалов.

Из природного газа получают ацетилен, муравьиный  альдегид,  метанол,  сажу,

сероуглерод, водород,  синильную  кислоту  и  др.  Уголь  служит  источником

органических веществ. Возможно,что в  дальнейшем  все  углеводородное  сырьё

пойдёт  на  синтез  разнообразных  материалов.  Топливом  же  будет  служить

ядерное горючее или  какой-либо  другой  вид  топлива.Это  одно  из  решений

сырьевой и энергетической проблем.

__

Одной  из  главных  составных  частей  общей  проблемы   обеспечения   пищей

растущего населения  земного шара  является  проблема  полноценного  белка  в

пище.Растительный  белок,  как  правило,  содержит  лишь  очень    небольшое

количество аминокислот, в том чмсле  так  называемых  незаменимых  (аргинин,

валин, лизин и  др.),  т.е.  таких,  которые  не  синтезируюся  в  организме

человека или синтезируются  со  скоростью,  недостаточной  для  потребностей

жизнидеятельности организма. Значит,  они  должны  поступать  в  достаточном

количестве с пищей, содержащей все нужные аминокислоты.  Такой  пищей  может

быть животный белок.

   В  животноводстве  приобретают  всё   большее   значение   искусственные,

производимые на специальных  заводах корма.  Для  увеличения  массы  домашний

скот должен в достаточном  количестве  снабжаться  сырьём.  Это  может  быть

растительный белок,рыбная мука и  т.  д.  Однако  при  расширении  масштабов

животноводства и увеличении спроса на его продукцию  этих  источников  белка

может не хватать, поэтому  химики совместно  с  биологами  давно  уже  начали

искать пути замены таких кормов.  Одним  из  хороших  заменителей  оказалась

мочевина (NH2)2CO.

Другой путь обеспечения  сельскохозяйственных животных  полноценными  белками

основан  на  его  мокробиологическом  синтезе  с  использованием  дрожжей  и

бактерий.

  Получение  биомассы  путём  миккробиологического  синтеза  -  это   основа

индустриального производства пищи в  будущем.  Сырьём  могут  служить  самые

разнообразные  вещества  ,  в  том  числе  растительные  отходы.   Так   как

микробиологический синтез  осуществляется на  заводах,   производство  белка

таким   способом  не  требует  ни  больших  пахотных  площадей   замли,   ни

благоприятных погодных условий. Оно идёт равномерно и непрерывно,  поддаётся

механизации и автоматизации.

  Пока получаемая  биомасса применяется лишь как  корм  для  животных.  Чтобы

использовать её в  качестве пищи для людей, необходимо  решить  ряд  проблем.

Главная из них  -  тщательная  проверка  такого  продукта  на  безвредность,

отсутствие  побочных  последствий   длительного   употребления.   Необходимо

исследовать  усвояемость  разных  видов  "одноклеточных"  белков,  так   как

содержание  в  них  аминокислот   ещё   не   говорит   о   свойстве   хорошо