Абиотические факторы среды, адаптация организмов к ним. Закон оптимума

3. Абиотические факторы  среды, адаптация организмов к  ним. Закон оптимума.

Среда обитания - это та часть природы, которая окружает живой организм и с которой он непосредственно взаимодействует. Составные части и свойства среды многообразны и изменчивы. Любое живое существо живет в сложном, меняющемся мире, постоянно приспосабливаясь к нему и регулируя свою жизнедеятельность в соответствии с его изменениями.

Отдельные свойства или элементы среды, воздействующие на организмы, называются экологическими факторами. Факторы среды многообразны. Они могут быть необходимы или, наоборот, вредны для живых существ, способствовать или препятствовать выживанию и размножению. Экологические факторы имеют разную природу и специфику действия. Среди них выделяют абиотические и биотические, антропогенные.

Абиотические факторы - температура, свет, радиоактивное излучение, давление, влажность воздуха, солевой состав воды, ветер, течения, рельеф местности - это все свойства неживой природы, которые прямо или косвенно влияют на живые организмы.

Хотя человек влияет на живую природу через изменение абиотических факторов и биотических связей видов, деятельность людей на планете следует выделять в особую силу, не укладывающуюся в рамки этой классификации. В настоящее время практически судьба живого покрова Земли, всех видов организмов находится в руках человеческого общества, зависит от антропогенного влияния на природу.

Один и тот же фактор среды имеет различное значение в жизни совместно обитающих организмов разных видов. Например, сильный ветер зимой неблагоприятен для крупных, обитающих открыто животных, но не действует на более мелких, которые укрываются в норах или под снегом. Солевой состав почвы важен для питания растений, но безразличен для большинства наземных животных и т. п.

Некоторые свойства среды остаются относительно постоянными на протяжении длительных периодов времени в эволюции видов. Таковы сила тяготения, солнечная постоянная, солевой состав океана, свойства атмосферы. Большинство экологических факторов - температура, влажность, ветер, осадки, наличие укрытий, пищи, хищники, паразиты, конкуренты и т.д.- очень изменчиво в пространстве и времени. Степень изменчивости каждого из этих факторов зависит от особенностей среды обитания. Например, температура сильно варьирует на поверхности суши, но почти постоянна на дне океана или в глубине пещер. Паразиты млекопитающих живут в условиях избытка пищи, тогда как для свободноживущих хищников ее запасы все время меняются вслед за изменением численности жертв.

Изменения факторов среды во времени могут быть:

1) регулярно-периодическими, меняющими силу воздействия в связи со временем суток, или сезоном года, или ритмом приливов и отливов в океане;

2) нерегулярными, без четкой периодичности, например, изменения погодных условий в разные годы, явления катастрофического характера - бури, ливни, обвалы и т.п.;

3) направленными на протяжении известных, иногда длительных, отрезков времени, например, при похолодании или потеплении климата, зарастании водоемов, постоянном выпасе скота на одном и том же участке и т.п.

Среди факторов среды выделяют ресурсы и условия. Ресурсы окружающей среды организмы используют, потребляют, тем самым уменьшая их количество. К ресурсам относят пищу, воду при ее дефиците, убежища, удобные места для размножения и т. п. Условия - это такие факторы, к которым организмы вынуждены приспосабливаться, но повлиять на них обычно не могут. Один и тот же фактор среды может быть ресурсом для одних и условием для других видов. Например, свет - жизненно необходимый энергетический ресурс для растений, а для обладающих зрением животных - условие зрительной ориентации. Вода для многих организмов может быть и условием жизни, и ресурсом.

2. Адаптации организмов

Приспособления организмов к среде носят название адаптации. Под адаптациями понимаются любые изменения в структуре и функциях организмов, повышающие их шансы на выживание.

Способность к адаптациям - одно из основных свойств жизни вообще, так как обеспечивает и саму возможность ее существования, возможность организмов выживать и размножаться. Адаптации проявляются на разных уровнях: от биохимии клеток и поведения отдельных организмов до строения и функционирования сообществ и экологических систем. Адаптации возникают и развиваются в ходе эволюции видов.

Основные механизмы адаптации на уровне организма:

1) биохимические-проявляются во внутриклеточных процессах, как, например, смена работы ферментов или изменение их количества;

2) физиологические - например, усиление потоотделения при повышении температуры у ряда видов;

3) морфо-анатомические - особенности строения и формы тела, связанные с образом жизни; 4) поведенческие - например, поиск животными благоприятных мест обитания, создание нор, гнезд и т. п.;

5) онтогенетические - ускорение или замедление индивидуального развития, способствующие выживанию при изменении условий.

Экологические факторы среды оказывают на живые организмы различные воздействия, т.е. могут влиять как раздражители, вызывающие приспособительные изменения физиологических и биохимических функций; как ограничители, обусловливающие невозможность существования в данных условиях; как модификаторы, вызывающие морфологические и анатомические изменения организмов; как сигналы, свидетельствующие об изменениях других факторов среды.

3. Общие законы действия факторов среды на организмы

Несмотря на большое разнообразие экологических факторов, в характере их воздействия на организмы и в ответных реакциях живых существ можно выявить ряд общих закономерностей.

Закон оптимума.

Каждый фактор имеет определенные пределы положительного влияния на организмы (рис. 1). Результат действия переменного фактора зависит прежде всего от силы его проявления. Как недостаточное, так и избыточное действие фактора отрицательно сказывается на жизнедеятельности особей. Благоприятная сила воздействия называется зоной оптимума экологического фактора или просто оптимумом для организмов данного вида. Чем сильнее отклонения от оптимума, тем больше выражено угнетающее действие данного фактора на организмы (зона пессимума). Максимально и минимально переносимые значения фактора - это критические точки, за пределами которых существование уже невозможно, наступает смерть. Пределы выносливости между критическими точками называют экологической валентностью живых существ по отношению к конкретному фактору среды.

Рис. 1. Схема действия факторов среды на живые организмы

Представители разных видов сильно отличаются друг от друга как по положению оптимума, так и по экологической валентности. Так, например, песцы в тундре могут переносить колебания температуры воздуха в диапазоне более 80 °C (от +30 до -55 °C), тогда как тепловодные рачки Copilia mirabilis выдерживают изменения температуры воды в интервале не более 6 °C (от +23 до +29 °C). Одна и та же сила проявления фактора может быть оптимальной для одного вида, пессимальной - для другого и выходить за пределы выносливости для третьего (рис. 2).

Широкую экологическую валентность вида по отношению к абиотическим факторам среды обозначают добавлением к названию фактора приставки «эври». Эвритермные виды - выносящие значительные колебания температуры, эврибатные- широкий диапазон давления, эвригалинные - разную степень засоления среды.

Рис. 2. Положение кривых оптимума на температурной шкале для разных видов:

1, 2 -- стенотермные виды, криофилы;

3-7- эвритермные виды;

8, 9 -- стенотермные виды, термофилы

Неспособность переносить значительные колебания фактора, или узкая экологическая валентность, характеризуется приставкой «стено» - стенотермные, стенобатные, стеногалинные виды и т. д. В более широком смысле слова виды, для существования которых необходимы строго определенные экологические условия, называют стенобионтными, а те, которые способны приспосабливаться к разной экологической обстановке, - эврибионтными.

Условия, приближающиеся по одному или сразу нескольким факторам к критическим точкам, называют экстремальными.

Положение оптимума и критических точек на градиенте фактора может быть в определенных пределах сдвинуто действием условий среды. Это регулярно происходит у многих видов при смене сезонов года. Зимой, например, воробьи выдерживают сильные морозы, а летом гибнут от охлаждения при температуре чуть ниже нуля. Явление сдвига оптимума по отношению к какому-либо фактору носит название акклимации. В отношении температуры это хорошо известный процесс тепловой закалки организма. Для температурной акклимации необходим значительный период времени. Механизмом является смена в клетках ферментов, катализирующих одни и те же реакции, но при разных температурах (так называемые изоферменты). Каждый фермент кодируется своим геном, следовательно, необходимо выключение одних генов и активация других, транскрипция, трансляция, сборка достаточного количества нового белка и т. п. Общий процесс занимает в среднем около двух недель и стимулируется переменами в окружающей среде. Акклимация, или закалка, - важная адаптация организмов, происходит при постепенно надвигающихся неблагоприятных условиях или при попадании на территории с иным климатом. Она является в этих случаях составной частью общего процесса акклиматизации.

7. Процесс и механизм передачи энергии в экосистемах и последствия его нарушения.

Основу «работы» экосистемы составляют два связанных процесса: круговорот веществ, который осуществляется благодаря деятельности продуцентов, консументов и редуцентов, и протекание через нее потока энергии, поступающей извне. Энергия используется однократно и расходуется на «раскручивание» круговоротов веществ.

Физики определяют энергию как способность производить работу или теплообмен между двумя объектами, обладающими разной температурой. Энергия является основой «работы» любой экосистемы, в которой происходят синтез и многократные преобразования веществ.

Основным источником энергии является Солнце. Даже гетеротрофные экосистемы используют солнечную энергию, хотя и через посредника, в роли которого выступает автотрофная экосистема, поставляющая для нее органические вещества. Ю. Одум (1986) даже определил экологию как науку, которая «…изучает связь между светом и экологическими системами и способы превращения энергии внутри экосистемы».

Поток солнечной энергии постоянно протекает через фотоавтотрофные организмы, причем при передаче энергии от одного организма к другому в пищевых цепях происходит ее рассеивание в виде тепла. Из поступающей на Землю энергии Солнца экосистемой усваивается не более 2% (в экспериментальных культурах морских планктонных водорослей удалось достичь уровня фиксации солнечной энергии 3,5%). Большая часть энергии используется на транспирацию, отражается листьями, идет на нагревание атмосферы, воды и почвы.

Последовательность организмов, в которой каждый предыдущий организм служит пищей последующему, называется пищевой цепью. Каждое звено такой цепи представляет трофический уровень (растения, фитофаги, хищники I порядка, хищники II порядка и т.д.).

Различают два типа пищевых цепей: пастбищные (автотрофные), в которых в качестве первого звена выступают растения (трава - корова - человек; трава - заяц - лисица; фитопланктон - зоопланктон - окунь - щука и др.), и детритные (гетеротрофные), в которых первое звено представлено мертвым органическим веществом, которым питается детритофаг (опавший лист - дождевой червь - скворец - сокол).

Количество звеньев в пищевых цепях может быть от одного-двух до пяти-шести. Пищевые цепи в водных экосистемах, как правило, более длинные, чем в наземных.

Эффективность передачи энергии по пищевой цепи зависит от двух показателей:

. от полноты выедания (доли организмов предшествующего трофического уровня, которые были съедены живыми);

. от эффективности усвоения  энергии (удельной доли энергии, которая перешла на следующий  трофический уровень в пересчете  на каждую единицу съеденной  биомассы).

Полнота выедания и эффективность усвоения энергии возрастают с повышением трофического уровня и меняются в зависимости от типа экосистемы.

Так в лесной экосистеме фитофаги потребляют менее 10% продукции растений (остальное достается детритофагам), а в степи - до 30%. В водных экосистемах выедание фитопланктона растительноядным зоопланктоном еще выше - до 40%. Этим объясняются основные краски Земли на космических снимках: леса зеленые именно потому, что фитофаги съедают мало фитомассы, а океан голубой, оттого что фитофаги выедают достаточно много фитопланктона (Polis, 1999).

С повышением трофического уровня полнота выедания еще более возрастает, хищники высших порядков выедают до 90% своих жертв, и потому доля животных, которым удается дожить до естественной смерти, очень невелика. В водных экосистемах, к примеру, в детрит переходит 100% биомассы хищных рыб (их есть некому и плотность популяции контролируют только паразиты), но лишь 1/4 часть биомассы планктоноядных рыб, которые умерли «своей смертью». Этот детрит опускается на дно. Лишь часть его поедается детритофагами бенотоса, а остальная - попадает в донные осадки. Доля детрита, поступающего в осадки, тем больше, чем выше продуктивность водной экосистемы.

Поведение энергии подчиняется действию первого и второго законов термодинамики.

Первый закон (сохранения энергии) - о сохранении ее количества при переходе из одной формы в другую. Энергия не может появиться в экосистеме сама собой, она поступает в нее извне с солнечным светом или вследствие химических реакций и усваивается продуцентами. Далее она будет частично использована консументами и симбиотрофами, «обслуживающими» растения, частично - редуцентами, которые разлагают мертвые части растений, и частично - затрачена на дыхание. Если суммировать все эти фракции расхода энергии, усвоенной растениями в фотоавтотрофной экосистеме, то сумма будет равна той потенциальной энергии, которая накоплена при фотосинтезе.

Второй закон - о неизбежности рассеивания энергии (т.е. снижения ее «качества») при переходе из одной формы в другую. В соответствии с этим законом энергия теряется при ее передаче по пищевым цепям. В наиболее общем виде эти потери отражает «число Линдемана».

ЗАКОН ЛИНДЕМАНА, правило 10%, принцип Линдемана, термодинамическая интерпретация циркуляции потока энергии через трофические уровни в экосистеме. Закон, открытый Линдеманом (1942), согласно к-рому только часть (10%) энергии, поступившей на определенный трофич. уровень биоценоза, передается организмам, находящимся на более высоких трофич. уровнях. Напр. , количество энергии, к-рая доходит до третичных плотоядных (трофический уровень V), составляет около 10-4 энергии, поглощенной продуцентами. Это объясняет ограниченное количество (5 — 6) звеньев (уровней) в пищевой цепи независимо от рассматриваемого биоценоза.  
Закон пирамиды энергий Р. Линдемана это Закон десяти процентов  
Закон пирамиды энергий Р. Линдемана - в экологии - закон, согласно которому при переходе с одного трофического уровня экологической пирамиды на другой потребляется в среднем 10% энергии биомассы или вещества в энергетическом выражении.  
 
Закон ( В. И. Вернадского) константности живого вещества: количество живого вещества планеты (для данного геологического периода) есть константа.  
Закон константности (сформулированный В. Вернадским) :  
Количество живого вещества биосферы (за определенное геологическое время) есть величина постоянная.  
Этот закон тесно связан с законом внутреннего динамического равновесия. По закону константности любое изменение  
количества живого вещества в одном из регионов биосферы неминуемое приводит к такой же по объему изменения вещества в другом регионе, только с обратным знаком.  
 
Следствием этого закона есть правило обязательного заполнения экологических ниш.  
 
Правило константности числа видов в ходе стационарной эволюции биосферы: число нарождающихся видов в среднем равно числу вымерших, и общее видовое разнообразие в биосфере есть константа.  
 
Видимо, это правило справедливо для уже сформировавшейся биосферы и, возможно, ограничено временами геологических периодов. Логически оно вытекает из необходимости материала для экологического дублирования, без которого структуры биосферы теряли бы свойство надежности. Эмпирические доказательства обсуждаемого правила получить едва ли доступно, поскольку в число видов входят и те, которые трудно обнаружить в геологических пластах.. . Косвенно это правило иллюстрируется закономерностями правила ускорения эволюции, в ходе которого быстрое нарождение видов сопровождается ускоренным их вымиранием.  
 
Отсюда следует правило обязательности заполнения экологических ниш, их относительно постоянного числа и многие другие обобщения.

16. Система  стандартов и нормативов

Система экологических нормативов и стандартов предопределяется практическими потребностями в использовании разных видов нормативов применительно к видам экологически значимой деятельности или продукции как инструментов для решения задач охраны окружающей среды. В систему экологических нормативов и стандартов входят:

* нормативы качества окружающей  среды;

* нормативы предельно допустимого  вредного воздействия на состояние  окружающей среды;

* нормативы использования природных  ресурсов;

* экологические стандарты;

* нормативы санитарных и защитных  зон.

Понятие «экологические стандарты» имеет в экологическом праве широкое значение. Прежде всего оно включает собственно стандарты как формы нормативных документов, в которых определяются отдельные экологические требования. Нормативы предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ в окружающей среде (воде, атмосферном воздухе, почве) и нормативы предельно допустимых уровней вредных физических воздействий на нее также иногда рассматриваются в качестве разновидности экологических стандартов. Аналогами таких нормативов в ряде зарубежных государств (США, Японии и др.) являются именно стандарты - стандарты качества воздуха (air quality standards), стандарты качества воды (water quality standards), стандарты шума (noise standards) и др.

В Законе РСФСР «Об охране окружающей природной среды» о стандартах говорится в ст. 32 в связи с экологическими требованиями к продукции. В стандартах на новую технику, технологии, материалы, вещества и другую продукцию, способную оказать вредное воздействие на состояние окружающей среды, устанавливаются экологические требования для предупреждения вреда окружающей среде, здоровью и генетическому фонду человека. Экологические требования к продукции производства и потребления должны обеспечивать соблюдение нормативов предельно допустимых воздействий на окружающую природную среду в процесс производства, хранения, транспортировки и использования продукции.

Экологическая стандартизация - одно из активно развиваемых направлений нормативного правового регулирования охраны окружающей среды и природопользования в России. В системе Госстандарта РФ принято около 50 стандартов. В качестве примеров экологических стандартов можно назвать следующие: ГОСТ 17.2.4.02-81. Охрана природы. Атмосфера. Общие требования к методам определения загрязняющих веществ; ГОСТ 17.1.3.12-86. Охрана природы. Гидросфера. Общие правила охраны вод от загрязнения при бурении и добыче нефти и газа на суше; ГОСТ 17.4.2.03-86. Охрана природы. Почвы. Паспорт почвы; ГОСТ 20286-76. Радиоактивное загрязнение и дезактивация. Термины и определения; и др.

Если нормативы предельно допустимых выбросов из стационарных источников загрязнения окружающей среды устанавливаются в форме «нормативов», то нормативы содержания определенных загрязняющих веществ в отработавших газах автомобилей устанавливаются в форме государственного стандарта. Они предусмотрены ГОСТом 17.2.203-87. Охрана природы. Атмосфера. Нормы и методы измерений содержания окиси углерода и углеводородов в отработавших газах автомобилей с бензиновыми двигателями. Требования безопасности. Ряд ГОСТов определяет допустимые уровни шумовых воздействий: ГОСТ 17229-78. Самолеты пассажирские и транспортные. Методы определения уровней шума, создаваемого на местности; ГОСТ 20444-85. Шум. Транспортные потоки. Методы измерения шумовой характеристики; и др.

На современном этапе основные требования к стандартизации определяются Законом РФ от 10 июня 1993 г. «О стандартизации». Закон подразделяет стандарты на государственные стандарты РФ; применяемые в установленном порядке международные (региональные) стандарты, правила, нормы и рекомендации; стандарты отраслей и стандарты предприятий. Государственные стандарты разрабатываются на продукцию, работы и услуги, имеющие межотраслевое значение. Стандарты отраслей могут разрабатываться и приниматься государственными органами управления в пределах их компетенции в целях обеспечения требований безопасности продукции, работ и услуг для окружающей среды, жизни, здоровья в имущества применительно к продукции, работам и услугам отраслевого значения. Стандарты предприятий могут разрабатываться и утверждаться предприятиями самостоятельно, исходя из необходимости их применения в целях обеспечения требований безопасности продукции, работ и услуг для окружающей среды, жизни, здоровья и имущества, а также в целях совершенствования организации и управления производством.

Требования, установленные государственными стандартами для обеспечения безопасности продукции, работ и услуг для окружающей среды, жизни и здоровья, являются обязательными для соблюдения государственными органами управления, субъектами хозяйственной деятельности.

Соответствие продукции и услуг указанным экологическим требованиям государственных стандартов может определяться путем проведения экологической сертификации, а также маркирования продукции знаком соответствия государственным стандартам.

27.  Методы контроля  качества воды.

Контроль требований к нормируемым показателям качества воды в водоемах осуществляется периодическим отбором и анализом проб воды из поверхностных водоемов. Согласно ГОСТ 2874?82 анализ проб из поверхностных вод источников водоснабжения отбирают не реже 1 раза в месяц.

Количество проб и места их отбора определяют в соответствии с гидрологическими и санитарными характеристиками водоема и согласовывают с местными органами санитарно-эпидемиологической службы (СЭС). При этом считается обязательным отбор непосредственно в месте водозабора и на расстоянии 1 км выше по течению рек и каналов, а для озер и водохранилищ - на расстоянии 1 км от водозабора в 2-х диаметрально расположенных точках.

В настоящее время наряду с анализом проб воды в лабораториях используют автоматические станции контроля качества воды, которые могут одновременно измерять 8?10 показателей качества воды: концентрацию растворенного кислорода, электрическую проводимость, рН, температуру, уровень воды в водоеме, концентрацию взвешенных веществ, концентрацию меди и т.д.

На очистных сооружениях машиностроительных предприятий осуществляют контроль состава исходных и очищенных сточных вод, а также контроль эффективности работы очистных сооружений.

Контроль состава исходных и очищенных сточных вод осуществляют один раз в 10 дней. Анализ следует проводить не позднее, чем через 12 часов после отбора пробы. Контроль состава сточных вод заключается в измерении:

органолептических показателей воды (запах, цвет, мутность);

содержания грубодисперсных взвешенных веществ (массовая концентрация и фракционный состав);

химического потребления кислорода (ХПК);

количества растворенного в воде кислорода;

биохимического потребления кислорода (ВПК);

концентрации вредных веществ, для которых существуют нормируемые значения ПДК;

рН среды.

Под ХПК понимается величина, характеризующая общее содержание в воде восстановителей, реагирующих с сильными окислителями. Выражается ХПК количеством кислорода, необходимого для окисления всех содержащихся в воде восстановителей. На практике окисление пробы сточной воды проводят бихроматом калия в серной кислоте по специальной методике.

Содержание растворенного кислорода измеряют после заключительного процесса очистки непосредственно перед сбросом воды в водоемы. Это необходимо знать для оценки коррозионных свойств воды, а также для вычисления БПК. Концентрацию растворенного в воде кислорода определяют, либо используя иодометрический метод Винклера, либо отечественные ЭГ-152?03, АКП - 100,1, «Оксиметр». Под БПК подразумевается количество кислорода (в миллиграммах), необходимое для окисления в аэробных условиях в результате происходящих в воде биологических процессов органических веществ, содержащихся в 1 л сточной воды. Определение БПК производят на основе анализа изменения количества растворенного кислорода с течением времени. На практике обычно используют пятисуточное БПК - БПК5.

Измерение концентрации вредных веществ, для которых установлены ПДК, проводят на различных ступенях технологической схемы очистки, в том числе перед выпуском сточной воды в водоем. Для этих целей используют газовые и жидкостные хроматографы, фотоэлектроколориметры, химические методы.

39. Экономический механизм охраны окружающей природной среды.

Под понятием экономического механизма охраны окружающей природной среды понимается: правовой институт, включающий в себя совокупность правовых норм, регулирующий условия и порядок аккумулирования денежных средств, поступающих в качестве платы за загрязнение окружающей среды и иные вредные на неё воздействия, финансирования природоохранных мер и экономического стимулирования хозяйствующих субъектов путём применения налоговых и иных льгот.

Задачи экономического механизма охраны окружающей природной среды заключаются в том, что должно производиться:

1. Планирование и финансирование  природоохранительных мероприятий;

2. Установление лимитов использования  природных ресурсов, выбросов и  сбросов загрязняющих веществ  в окружающую природную среду  и размещение отходов;

3. Установление нормативов платы  и размеров платежей за использование  природных ресурсов, выбросы и  сбросы загрязняющих веществ  в окружающую природную среду, размещение отходов и другие  виды вредного воздействия;

4. Предоставление предприятиям, учреждениям  и организациям, а также гражданам  налоговых, кредитных и иных льгот  при внедрении ими малоотходных  и ресурсосберегающих технологий  и нетрадиционных видов энергии, осуществлении других эффективных  мер по охране окружающей природной  среды;

5. Возмещение в установленном  порядке вреда, причиненного окружающей  природной среде и здоровью  человека.

экосистема контроль экономический охрана

Список литературы

1. Акимова Т.А. Экология. Человек-Экономика-Биота-Среда: учебник для студентов вузов. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2007. - 624 с.

2. Гарин В.М., Каленова И.А., Колесников В.И. Экология для технических вузов. Ростов н/Д: Феникс, 2001-384 с.

3. Голуб А.А., Струкова Е.Б. Экономика природопользования. М.: Аспект пресс, 1995-188 с.

4. Горелов А.А. Экология. Учебник для вузов. М.: Юрайт, 2002-312 с.

5. Колесников С.И. Экология. Учебное пособие для вузов. Ростов н/Д: Феникс, 2008-384 с.

6. Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология. Ростов н/Д: Феникс, 2001-576 с.