Контрольная работа по "Экологии"

ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет «Управление и предпринимательство»

Заочная форма обучения

                 Студент                                    Адрес          

                               _______________                          _______________________

                               _______________                          _______________________

         Группа __________________          № зач. книжки______________

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №________

по                                             

за ___________ семестр

Ростов-на-Дону

2013

Содержание

1. Общие понятия об экологии и экологических факторах

2. Экологические факторы

3. Закономерности воздействия факторов среды на организмы

4. Общие закономерности действия экологических факторов

5. Экосистема

6. Экологическая ниша

7. Энергия в экосистемах. Жизнь как термодинамический процесс

8. Предмет исследования биоэнергетики. Первое начало термодинамики.

9. Второе начало термодинамики 

10. Загрязнители окружающей природной среды (ОПС).

11. Понятие экологического кризиса и экологической катастрофы.

1. Общие понятия об  экологии и экологических факторах

Общие понятия об экологии. 

Как самостоятельная  наука экология сформировалась в XX столетии, хотя факты, составляющие ее содержание, привлекали внимание человека с давних времен. В современном виде экология охватывает чрезвычайно широкий круг вопросов и тесно переплетается с целым рядом смежных наук: биологией, геологией, физикой, химией, генетикой и др.

Экология - это наука об отношениях растительных и животных организмов или их сообществ между собой и с окружающей средой. 
Термин «экология», образованный из двух греческих слов: ойкос - дом, жилище, родина и логос - наука, был предложен немецким биологом Э. Геккелем в 1869 г. и обозначает буквально «изучение собственного дома», или «наука о местообитании».

Экология тесно связана  с другими биологическими науками - зоологией и ботаникой. В период становления этих наук основное внимание исследователей было сосредоточено на систематике и строении живых организмов. Но уже в первых сочинениях по флоре описание каждого вида растения стало сопровождаться указанием мест его произрастания. В ходе исследований фауны ученые также пришли к выводу, что образ жизни животного и среда его обитания взаимосвязаны. Очевидно то, что большинство сведений из этих областей одновременно является предметом изучения экологии.

Огромное значение экологии было осознано обществом совсем недавно - когда ввиду постоянно усиливающегося антропогенного воздействия на природную среду со всей очевидностью возникла проблема сохранения жизни на нашей планете, сохранения человеческой цивилизации. 
Нельзя бездумно относиться к природе, безжалостно ее эксплуатировать! Человеческое общество может жить и развиваться, только находясь в гармонии с природой. Для этого необходимо знать, как устроена и функционирует природа, как она реагирует на вмешательство человека. 
Экология изучает организацию жизни на трех уровнях. 
Первый уровень охватывает отдельные растения и животных - особи. Любая особь находится под влиянием различных условий окружающей среды, испытывает на себе их воздействие. Одними из главных воздействующих на организм условий являются климатические - температура, влажность, освещенность и др. Кроме того, в существовании наземных животных, особенно обитателей почвы, и в жизни растений важную роль играют физические и химические свойства почвы. Для водных организмов особое значение имеют физические и химические свойства воды как среды обитания.

Раздел экологии, в  рамках которого исследуется взаимодействие отдельного организма со средой обитания (образ жизни, поведение, взаимодействие с отдельными элементами окружающей среды и др.), носит название аутэкологии (от греческого аутос - сам). 
В реальной жизни, однако, ни один организм не существует вне связи с другими ему подобными организмами, то есть особями того же вида. Как правило, организмы существуют в виде особых группировок - популяций (от латинского популус - народ, население). Взаимодействие организмов в популяции приводит к тому, что у нее появляются собственные свойства, отличные от свойств отдельных особей. Под влиянием многих внешних условий (параметров окружающей среды, качества и количества пищи и др.) популяции меняют численность во времени и пространстве, приобретают свойства накапливать и расходовать вещество и энергию, им свойственны более сложные реакции на изменения среды, чем соответствующие реакции индивидуума. 
Раздел экологии, изучающий взаимоотношения между организмом и средой обитания на уровне популяций, носит название демэкологии, или популяционной экологии.

Но и популяция изолированно существовать не может, поскольку нуждается  в энергии, веществе, пространстве и других жизненных ресурсах. Поэтому популяция обязательно вступает во взаимоотношения с другими популяциями: популяция хищного животного черпает энергию от популяции травоядного, популяции могут бороться за пространство, пищу и т.п. Однако они могут и помогать друг другу: почвенные животные, перерабатывая мертвое растительное вещество, увеличивают плодородие почвы, насекомые участвуют в опылении растений, некоторые растительноядные животные обеспечивают перенос семян растений, способствуя их размножению. Таким образом, популяции не могут существовать друг без друга. Стабильность природной системы во времени поддерживается посредством взаимодействия между всеми ее живыми и неживыми составляющими. 
В природе совместно обитающие популяции различных организмов всегда образуют определенное единство, называемое сообществом, или биоценозом (от греческого биос - жизнь и ценоз - общее). Занимаемое сообществом природное жизненное пространство принято именовать биотопом (от греческого биос - жизнь и топос - место). Сообщество - это довольно устойчивое биологическое образование, поскольку оно обладает способностью к самоподдерживанию своих природных свойств и видового состава. Устойчивость сообщества определяется не только устойчивостью входящих в него популяций, но и особенностями взаимодействия между ними.

Комплексное изучение сообществ  является предметом еще более  сложного раздела экологии – синэкологии (от греческого син - вместе), или экологии сообществ.

Экологические факторы 

Среду обитания организмов характеризуют условия и ресурсы. Понятие «условия среды» в экологии заменяют и определяют понятием «экологические факторы». Экологические факторы оказывают определяющее влияние на жизнедеятельность и географическое распространение живых организмов.

Экологический фактор - это любой нерасчленяемый далее элемент окружающей среды, способный оказывать прямое либо косвенное воздействие на живой организм хотя бы на протяжении одного из этапов его индивидуального развития, или, другими словами, то из условий среды, на воздействие которого организм отвечает приспособительными реакциями. 
Экологические факторы весьма разнообразны как по своей природе, так и по воздействию на живые организмы. Их можно условно подразделить на три основные группы: абиотические, биотические и антропогенные. 
Абиотические факторы - это факторы, связанные с воздействием на организмы неживой природы, то есть климатические факторы (температура, свет, влажность, давление и др.); физические свойства почвы и воды; орографические факторы (условия рельефа). 
Абиотические факторы влияют на организм непосредственно, как, например, свет или тепло, или опосредованно - как рельеф, который обусловливает степень действия прямых факторов: освещенности, влажности, силы ветра и др. 
Биотические факторы связаны с совокупным влиянием одних организмов на другие. К этой группе относятся особенности питания тех или иных организмов и вытекающие из этого различные формы взаимодействия видов и особей между собой (хищничество, конкуренция, паразитизм и др.). 
Биотические взаимоотношения имеют чрезвычайно сложный характер. Они тоже могут оказывать и прямое, и косвенное влияние. 
Антропогенные факторы - это все те формы деятельности человека, которые либо опосредованно воздействуют на организмы, изменяя естественную (природную) среда, а значит, и условия обитания живых организмов, либо непосредственно влияют на отдельные виды животных и растений.

Антропогенные факторы, по сути дела, тоже являются биотическими, так как своим происхождением они обязаны человеку - существу биологическому. Однако эти факторы стали выделять в особую группу по причине их многообразия и специфичности. 
Одни и те же экологические факторы воздействуют на различные живые организмы по-разному, и потому степень их важности для тех или иных видов неодинакова.

Наша планета обладает следующими четырьмя основными средами обитания, освоенными и заселенными организмами: водная среда; наземно-воздушная среда, почвенная среда; наконец, сами организмы, которые выступают в качестве среды для других видов живых существ. И каждая из четырех имеет специфические особенности. У организмов, живущих в определенной среде, вырабатывается приспособленность к условиям именно этой среды.

Способность организмов выдерживать изменения в определенных пределах условий жизни называется толерантностью. Это важное свойство всего живого, позволяющее переносить колебания условий, приспосабливаясь к их изменениям, и позволяет организму существовать в конкретной среде.

Любой вид, будь то животное, растение или микроорганизм, способен нормально обитать, питаться, размножаться только в том месте, где его «прописала» природа за многие тысячелетия эволюция. Иначе говоря, любой вид приспособлен (адаптирован) к строго определенным экологическим факторам. Выход хотя бы одного фактора за пределы толерантности организма приводит к его гибели. Для точного обозначения этого феномена экологи стали говорить о том, что каждый вид живых существ занимает в природе свою, лишь ему присущую экологическую нишу. 
Экологическая ниша организма - это совокупность всех экологических факторов и ресурсов той среды, в пределах которой может существовать данный вид в природе.

Любой организм черпает  энергию, получает необходимые вещества для жизнедеятельности из ресурсов среды обитания. Ресурсы могут  расходоваться и исчерпываться.

Ресурсы живых существ - это вещества, идущие на построение их тел и дающие энергию для их жизнедеятельности. 
Вместе с тем, даже если основные факторы и ресурсы определенной среды вполне благоприятны для жизнедеятельности данного организма, его длительному существованию могут воспрепятствовать особи других видов (например, хищники или паразиты). Поэтому биотические факторы, или биотические взаимоотношения, тоже следует включать в понятие ниши. 
В экологии принято различать два близких, по сути, понятия: «место обитания» и «экологическая ниша». Первое применяется для обозначения территории, где живет данный организм, а второе - для характеристики той роли, которую играет этот организм в экологической системе.

Закономерности  воздействия факторов среды на организмы

Экологические факторы  динамичны, изменчивы во времени  и пространстве. Теплое время года регулярно сменяется холодным, в  течение суток наблюдается колебание  температуры и влажности, день сменяет  ночь и т. п. Все это природные (естественные) изменения экологических факторов, однако в них может вмешиваться человек. Антропогенное влияние на природную среду проявляется в изменении либо режимов экологических факторов (абсолютных значений или динамики), либо состава факторов (например, разработка, производство и применение не существовавших ранее в природе средств защиты растений, минеральных удобрений и др.).

Закон минимума Либиха

Любому живому организму  необходимы не вообще температура, влажность, минеральные и органические вещества или какие-нибудь другие факторы, а их определенный режим. Реакция организма зависит от количества (дозы) фактора. Кроме того, живой организм в природных условиях подвергается воздействию многих экологических факторов (как абиотических, так и биотических) одновременно. Растения нуждаются в значительных количествах влаги и питательных веществ (азот, фосфор, калий) и одновременно в относительно «ничтожных» количествах таких элементов, как бор и молибден.

Любой вид животного  или растения обладает четкой избирательностью к составу пищи: каждому растению необходимы определенные минеральные элементы. Все виды животных по-своему требовательны к качеству пищи. Для того чтобы нормально существовать, развиваться, организм должен иметь весь набор необходимых факторов в оптимальных режимах и достаточных количествах.

Тот факт, что ограничение (или отсутствие) дозы любого из необходимых  растению веществ, относящихся как  к макро-, так и к микроэлементам, ведет к одинаковому результату – замедлению роста, обнаружен и  изучен одним из основоположников агрохимии немецким химиком Юстасом фон Либихом. Сформулированное им в 1840 г. правило называют законом минимума Либиха:

величина урожая определяется количеством в почве  того из элементов питания, потребность  растения в котором удовлетворена  меньше всего.

При этом Ю. Либих рисовал бочку с дырками, показывая, что нижняя дырка в бочке определяет уровень жидкости в ней.

Закон минимума справедлив как для растений, так и для  животных, включая человека, которому в определенных ситуациях приходится употреблять минеральную воду или витамины для компенсации недостатка каких-либо элементов в организме.

Впоследствии в закон  Либиха были внесены уточнения. Важной поправкой и дополнением служит закон неоднозначного (селективного) действия фактора на различные функции организма:

любой экологический  фактор неодинаково влияет на функции  организма, оптимум для одних  процессов, например дыхания, не есть оптимум  для других, например пищеварения, и  наоборот.

Э. Рюбелем в 1930 г. был установлен закон (эффект) компенсации (взаимозаменяемости) факторов:

отсутствие  или недостаток некоторых экологических  факторов может быть компенсировано другим близким (аналогичным) фактором.

Например, недостаток света  может быть компенсирован для  растения обилием диоксида углерода, а при построении раковин моллюсками недостающий кальций может заменяться на стронций.

Однако подобные возможности  чрезвычайно ограничены. В 1949 г. В. Р. Вильямс сформулировал закон незаменимости фундаментальных факторов:

полное отсутствие в среде фундаментальных экологических  факторов (света, воды, биогенов и т. д.) не может быть заменено другими факторами.

К этой группе уточнений  закона Либиха относится несколько  отличное от других правило фазовых реакций «польза – вред»:

малые концентрации токсиканта действуют на организм в  направлении усиления его функций (их стимулирования), тогда как более высокие концентрации угнетают или даже приводят к его смерти.

Эта токсикологическая  закономерность справедлива для  многих (так, известны лечебные свойства малых концентраций змеиного яда), но не всех ядовитых веществ.

Закон лимитирующих факторов Шелфорда

Фактор среды ощущается  организмом не только при его недостатке. Проблемы возникают также и при  избытке любого из экологических  факторов. Из опыта известно, что  при недостатке воды в почве ассимиляция растением элементов минерального питания затруднена, но и избыток воды ведет к аналогичным последствиям: возможна гибель корней, возникновение анаэробных процессов, закисание почвы и т. п. Жизненная активность организма также заметно угнетается при малых значениях и при чрезмерном воздействии такого абиотического фактора, как температура (рис. 3.11).

Фактор среды наиболее эффективно действует на организм только при некотором среднем его  значении, оптимальном для данного  организма. Чем шире пределы колебаний какого-либо фактора, при котором организм может сохранять жизнеспособность, тем выше устойчивость, т. е. толерантность данного организма к соответствующему фактору (от лат. tolerantia – терпение). Таким образом, толерантность – это способность организма выдерживать отклонения экологических факторов от оптимальных для его жизнедеятельности значений.

Впервые предположение  о лимитирующем (ограничивающем) влиянии  максимального значения фактора  наравне с минимальным значением  было высказано в 1913 г. американским зоологом В. Шелфордом, установившим фундаментальный биологический закон толерантности:

любой живой организм имеет определенные, эволюционно унаследованные верхний  и нижний пределы устойчивости (толерантности) к любому экологическому фактору.

Другая формулировка закона В. Шелфорда поясняет, почему закон толерантности  одновременно называют законом лимитирующих факторов:

даже единственный фактор за пределами  зоны своего оптимума приводит к стрессовому  состоянию организма и в пределе  – к его гибели.

Поэтому экологический фактор, уровень  которого приближается к любой границе  диапазона выносливости организма  или заходит за эту границу, называют лимитирующим фактором.

Закон толерантности дополняют  положения американского эколога  Ю. Одума:

• организмы могут иметь широкий диапазон толерантности в отношении одного экологического фактора и низкий диапазон в отношении другого;

• организмы с широким диапазоном толерантности в отношении всех экологических факторов обычно наиболее распространены;

• диапазон толерантности может сузиться и в отношении других экологических факторов, если условия по одному экологическому фактору не оптимальны для организма;

Рис. 1. Влияние температуры на скорость роста растения (иллюстрация) действия закона толерантности)

• многие факторы среды становятся ограничивающими (лимитирующими) в особо важные (критические) периоды жизни организмов, особенно в период размножения.

К этим положениям также примыкает  закон Митчерлиха-Бауле, названный А. Тинеманом законом совокупного действия:

совокупность факторов воздействует сильнее всего на те фазы развития организмов, которые имеют наименьшую пластичность – минимальную способность к приспособлению.

Графическая иллюстрация воздействия  концентрации некоего вещества в  составе среды обитания на жизненную  активность организма приведена  на рис.

Рис. Интерпретация закона толерантности на примере воздействия на организм концентрации некоего вещества как экологического фактора: С _лет, С_лет, С _лим, С_лим, С_опт, С_м , С_ПДК – концентрации летальная, лимитирующая, оптимальная, максимальная и предельно допустимая

Общие закономерности действия экологических факторов

В связи с чрезвычайным разнообразием экологических факторов различные виды организмов, испытывая  их влияние, отвечают на него по-разному, тем не менее, можно выявить ряд общих законов (закономерностей) действия экологических факторов. Остановимся на некоторых из них.

1. Закон оптимума выражается в том, что любой экологический фактор имеет пределы положительного влияния на живые организмы.

Сила воздействия экологических факторов постоянно меняется. Лишь в определенных местах планеты значения некоторых из них более или менее постоянны (константны). Например: на дне океанов, в глубинах пещер сравнительно постоянны температурный и водный режимы, режим освещения.

Рассмотрим действие закона оптимума на конкретном примере: животные и растения плохо переносят и сильную жару, и сильные морозы, оптимальными для них являются средние температуры – так называемая зона оптимума. Чем сильнее отклонения от оптимума, тем в большей степени данный экологический фактор угнетает жизнедеятельность организма. Эта зона носит название зоны пессимума. В ней имеются критические точки – «максимальное значение фактора» и «минимальное значение фактора»; за их пределами наступает гибель организмов. Расстояние между минимальным и максимальным значениями фактора называют экологической валентностью или толерантностью организма.

Пример проявления данного  закона: яйца аскарид развиваются  при t° = 12–36°, а оптимальной для  их развития является t° = 30°. То есть экологическая толерантность аскарид по температурному режиму составляет от 12° до 36°.

По характеру толерантности  следующие виды:

– эврибионтные – имеющие широкую экологическую валентность по отношению к абиотическим факторам среды; делятся на эвритермные (выносящие значительные колебания температур), эврибатные (выносящие широкий диапазон показателей давления), эвригалинные (выносящие разную степень засоленности среды).

– стенобионтные – неспособные переносить значительные колебания проявления фактора (например, стенотермными являются белые медведи, ластоногие млекопитающие, обитающие при низком температурном режиме).

2. Закон экологической  индивидуальности видов был сформулирован в 1924 г. русским ботаником Л.Г. Раменским: экологические спектры (толерантность) разных видов не совпадает, каждый вид специфичен по своим экологическим возможностям.

3. Закон ограничивающего  (лимитирующего) фактора гласит, что наиболее значим для организма тот фактор, который более всего отклоняется от оптимального его значения. Закон был установлен в 1905 г. английским ученым Блеккером.

Именно от этого, минимально (или максимально) представленного  в данный конкретный момент экологического фактора зависит выживание организма. В другие отрезки времени ограничивающим могут быть другие факторы. В течение жизни особи видов встречаются с самыми разными ограничениями своей жизнедеятельности. Так, фактором, ограничивающим распространение оленей, является глубина снежного покрова; бабочки озимой совки (вредителя овощных и зерновых культур) – зимняя температура и т.д.

Этот закон учитывается  в практике сельского хозяйства. Немецкий химик Ю. Либих установил, что продуктивность культурных растений, в первую очередь, зависит от того питательного вещества (минерального элемента), который представлен в почве наиболее слабо. Например, если фосфора в почве содержится лишь 20% от необходимой нор-ми, а кальция – 50%, то ограничивающим фактором будет недостаток фосфора; необходимо, в первую очередь, внести в почву именно фосфорсодержащие удобрения.

Это правило Ю. Либих назвал «правилом минимума», так как изучал влияние недостаточных доз удобрений. Позднее выяснилось, что избыток минеральных солей в почке тоже снижает урожайность, так как при этом нарушается способность корней всасывать растворы солей.

Ограничивающие факторы  среды определяют географический ареал  вида. Природа этих факторов может  быть различной. Так, продвижение вида на север может лимитироваться недостатком  тепла, в аридные районы – недостатком  влаги или слишком высокими температурами. Ограничивающим распространение фактором могут служить и биотические отношения, например занятость территории более сильным конкурентом или недостаток опылителей для растений. Чтобы определить, сможет ли вид существовать в данном географическом районе, нужно в первую очередь выяснить, не выходят ли какие-либо факторы среды за пределы его экологи ческой валентности, особенно в наиболее уязвимый период развития.

Выявление ограничивающих факторов очень важно в практике сельского хозяйства, так как, направив основные усилия на их устранение, можно быстро и эффективно повысить урожайность растений или производительность животных. Так, на сильно кислых почвах урожай пшеницы можно несколько увеличить, применяя разные агрономические воздействия, но наилучший эффект будет получен только в результате известкования, которое снимет ограничивающие действия кислотности. Знание ограничивающих факторов, таким образом, ключ к управлению жизнедеятельностью организмов. В разные периоды жизни особей в качестве ограничивающих выступают различные факторы среды, поэтому требуется умелое и постоянное регулирование условий жизни выращиваемых растений и животных.

4. Закон неоднозначного  действия: действие каждого экологического фактора неоднозначно на разных стадиях развития организма. Примерами её проявления могут служить следующие данные:

– для развития головастиков вода жизненно необходима, а для взрослой лягушки она не является жизненно важным условием;

– критическая минимальная температура для взрослых особей бабочки огневки мельничной = –22°, а для гусениц бабочки этого вида критической является t = –7°.

Каждый фактор неодинаково  влияет на разные функции организма. Оптимум для одних процессов  может являться пессимумом для других. Так, температура воздуха от +40 до +45°С у холоднокровных животных сильно увеличивает скорость обменных процессов в организме, но тормозит двигательную активность, и животные впадают в тепловое оцепенение. Для многих рыб температура воды, оптимальная для созревания половых продуктов, неблагоприятна для икрометания, которое происходит при другом температурном интервале.

Жизненный цикл, в котором  в определенные периоды организм осуществляет преимущественно те или  иные функции (питание, рост, размножение, расселение и т.п.), всегда согласован с сезонными изменениями комплекса факторов среды. Подвижные организмы могут также менять места обитания для успешного осуществления всех своих жизненных функций.

5. Закон о  прямых и косвенных факторах: экологические факторы по воздействию на организмы делят на прямые и косвенные.

Прямые экологические  факторы действуют на организмы  непосредственно, прямо (ветер, дождь  или снег, состав минеральных компонентов  почвы и т.п.).

Косвенные экологические  факторы действуют опосредованно, перераспределяя прямые факторы. Например: рельеф (косвенный фактор) «перераспределяет» действие таких прямых факторов, как ветер, осадки, питательные вещества; физические свойства почвы (механический состав, влагоемкость и др.) как косвенные факторы «перераспределяют» действие прямых факторов – химических свойств.

6. Закон взаимодействия  экологических факторов: оптимальная зона и пределы выносливости организмов по отношению к какому-либо фактору могут смещаться в зависимости от того, в сочетании с какими другими факторами осуществляется воздействие.

Так, жару легче переносить в сухом, а не во влажном воздухе; мороз хуже переносится в сочетании  с ветреной погодой и т.п.

Данную закономерность учитывают  в сельскохозяйственной практике для  поддержания оптимальных условий  жизнедеятельности культурных растений. Например, при угрозе заморозков на почве, которые случаются в средней полосе даже в мае, растения на ночь обильно поливают.