Природные ресурсы и их классификация.

Список литературы

Основная литература

1. Степановских А.С.Охрана окружающей среды. - Москва.: 2000 г.

2. Нуркеев С.С., Мусина У.Ш. Экология: Учебное пособие для технических вузов.- Алматы, 2005.

3. Буторина М.В., Воробьев П.В., Дмитриева А.П. и др.Инженерная экология и экологический менеджмент. Учебник. Под ред. Н.И.Иванова, И.М. Фадина. – М.:Логос, 2002

4. Передельский Л.В., Коробкин В.И., Приходченко О.Е.Экология. – М.:ТК Велби, Изд-во Проспект, 2007.

5. Трифонова Т.А., Селиванова Н.В., Мищенко Н.В. Прикладная экология: Учебное пособие для вузов,- М.: Академический проспект: Традиция, 2005.

6. Новиков Ю.В. Экология, окружающая среда и человек – М.: ФАИР-ПРЕСС, 2002.-560 с.

7. Экологический кодекс РК. Астана, 2007.

Дополнительная литература

1. Хван Т.А. Промышленная экология. Серия «Учебники, учебные пособия». – Ростов н/Д:Феникс,2003.

2. Коробкин В.И. Экология: конспект лекций / Коробкин В.И., Передельский Л.В. – Изд.3-е. – Ростов н/Д:Феникс,2006.

3. Промышленная экология. Методические указания к практическим занятиям по охране окружающей среды. Составитель: У.Ш.Мусина. Алматы, КазНТУ, 2003.

4. "Методика расчета концентраций в атмосферном воз­духе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий". ОНД-86 – Л.: Гидрометеоиздат, 1987.

5. Установление класса опасности промышленных отходов. Методические указания к практическим занятиям по дисциплинам «Промышленная экология» и «Промышленная токсикология». Составители: И.З.Лапшина, Г.Р.Ахмедова, С.С. Нуркеев. Алматы, КазНТУ, 1999.

Перечень вопросов по модулям и промежуточной аттестации

Вопросы для проведения контроля по 1 модулю:

1. Предмет и структура экологии.

2. Этапы исторического развития экологии как науки.

3. Задачи, объекты экологии и методы экологии.

4. Популяция, ее структура и динамика.

5. Биоценоз, биотоп и биогеоценоз.

6. Экологическая ниша вида.

7. Экологические пирамиды.

8. Понятие экосистемы.

9. Классификация экосистем.

10. Биогеоценоз и экосистема – сходство и различия.

11. Законы минимума и толерантности.

12. Лимитирующие факторы.

13. Экологические факторы и их действия

14. Трофическая структура экосистем.

15. Пищевые цепи.

Вопросы для проведения контроля по 2 модулю:

1. Загрязнение гидросферы.

2. Контроль и управление качеством воды в водных объектах.

3. Загрязнение мирового океана.

4. Основные направления рационального использования водных ресурсов.

5. Источники, причины загрязнения литосферы и истощения земельных ресурсов.

6. Воздействия на почвы.

7. Мероприятия по защите земель. Рекультивация земель.

8. Охрана окружающей природной среды от отходов производства и потребления.

9. Классификация отходов.

10. Обезвреживание, переработка и захоронение токсичных и радиоактивных отходов.

11. Сбор, переработка, утилизация и обезвреживание ТБО.

12. Экологический мониторинг.

13. Экологическая экспертиза.

14. Система экологическая стандартов качества окружающей среды.

15. Основные направления охраны окружающей среды от промышленных выбросов.

Вопросы для подготовки к промежуточной аттестации

1. Учение В.И.Вернадского о биосфере.

2. Ноосфера как новая стадия эволюции биосферы.

3. Границы биосферы.

4. Фотосинтез.

5. Биогеохимические круговороты

6. Научно-техническая революция и экологический кризис.

7. Проблемы загрязнения природной среды.

8. Понятие о качестве окружающей природной среды.

9. Природные ресурсы и их классификация.

10. Источники загрязнения атмосферного воздуха и их влияние на окружающую природную среду.

11. Парниковый эффект.

12. Кислотные дожди.

13. Истощение озонового слоя.

14. Фотохимический смог и причины его образования.

15. Международные конференции ООН (Стокгольм, Рио-де-Жанейро) и их решения.

 

Тема лекции 1 – Введение. Предмет «Экология», понятие, определение, становление и развитие экологии как науки. Цель и задачи, методы экологии. Разделы экологии: аутэкология, синэкология и демэкология. Популяция, понятие, определение. Трофические связи. Продуценты, консументы и редуценты.

Экология (от греч. ойкос – дом, жилище и логос – учение) – наука, изучающая условия существования живых организмов и взаимосвязи между организмами и средой, в которой они обитают. Термин экология был предложен в 1866 году немецким зоологом Эрнестом Геккелем (1834-1919).

Предметом экологии является совокупность или струк­тура связей между организмами и средой. Главный объект изучения в экологии – экосистемы, т.е. единые природные комплексы, образованные живыми организмами и средой обитания. Кроме того, в область ее компетенции входит изучение отдельных видов организмов (организменный уро­вень), их популяций, т.е. совокупностей особей одного вида (популяционно-видовой уровень), биотических сообществ, т.е. совокупностей популяций (биоценологический уровень), и биосферы в целом (биосферный уровень).

Основной, традиционной, частью экологии как биологи­ческой науки является общая экология, которая изучает об­щие закономерности взаимоотношений любых живых орга­низмов и среды (включая человека как биологическое суще­ство).

В составе общей экологии выделяют следующие основ­ные разделы:

‒ аутэкологию, исследующую индивидуальные связи отдель­ного организма (виды, особи) с окружающей его средой;

‒ популяционную экологию (демоэкологию), в задачу которой входит изучение структуры и динамики популяций отдель­ных видов. Популяционную экологию рассматривают и как специальный раздел аутэкологии;

‒ синэкологию (биоценологию) – изучающую взаимоотноше­ние популяций, сообществ и экосистем со средой.

Для всех этих направлений главным является изучение выживания живых существ в окружающей среде и задачи перед ними стоят преимущественно биологического свойст­ва – изучить закономерности адаптации организмов и их со­обществ к окружающей среде, саморегуляцию, устойчивость экосистем и биосферы и т. д.

В последнее время роль и значение биосферы как объек­та экологического анализа непрерывно возрастает. Особен­но большое значение в современной экологии уделяется про­блемам взаимодействия человека с окружающей природной средой.

Выдвижение на первый план этих разделов в эколо­гической науке связано с резким усилением взаимного отри­цательного влияния человека и среды, возросшей ролью экономических, социальных и нравственных аспектов, в связи с резко негативными последствиями научно-технического прогресса.

Таким образом, современная экология не ограничивает­ся только рамками биологической дисциплины, трактующей отношения главным образом животных и растений, она пре­вращается в междисциплинарную науку, изучающую слож­нейшие проблемы взаимодействия человека с окружающей средой. Актуальность и многогранность этой проблемы, вы­званной обострением экологической обстановки в масшта­бах всей планеты, привела к «экологизации» многих естест­венных, технических и гуманитарных наук.

Например, на стыке экологии с другими отраслями зна­ний продолжается развитие таких новых направлений, как инженерная экология, геоэкология, математическая эколо­гия, сельскохозяйственная экология, космическая экология и т. д.

Экологическими проблемами Земли как планеты зани­мается интенсивно развивающаяся глобальная экология, ос­новным объектом изучения которой является биосфера как глобальная экосистема. В настоящее время появились и та­кие специальные дисциплины, как социальная экология, изу­чающая взаимоотношения в системе «человеческое общест­во – природа», и ее часть – экология человека (антропоэкология), в которой рассматривается взаимодействие человека как биосоциального существа с окружающим миром.

С научно-практической точки зрения вполне обосновано деление экологии на теоретическую и прикладную.

Теоретическая экология вскрывает общие закономерно­сти организации жизни.

Прикладная экология изучает механизмы разрушения биосферы человеком, способы предотвращения этого процес­са и разрабатывает принципы рационального использования природных ресурсов. Научную основу прикладной экологии составляет система общеэкологических законов, правил и принципов.

Исходя, из приведенных выше понятий и направлений сле­дует, что задачи экологии весьма многообразны.

В общетеоретическом плане к ним относятся:

‒ разработка общей теории устойчивости экологических сис­тем;

‒ изучение экологических механизмов адаптации к среде;

‒ исследование регуляции численности популяций;

‒ изучение биологического разнообразия и механизмов его поддержания;

‒ исследование продукционных процессов;

‒ исследование процессов, протекающих в биосфере, с це­лью поддержания ее устойчивости;

‒ моделирование состояния экосистем и глобальных био­сферных процессов;

‒ экологическая индикация при определении свойств тех или иных компонентов и элементов ландшафта, в том числе индикация загрязнения природных сред;

‒ сохранение (консервация) эталонных участков биосферы.

Однако задачи экологии как учебной дисциплины в техническом ВУЗе иные.

Основные прикладные задачи экологии применительно к деятельности инженера промышленного производства могут быть сформулированы следующим образом:

‒ оптимизация технологических, инженерных и проектно-конструкторских решений, исходящих из минимального ущерба окружающей среде и здоровью человека;

‒ прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий действующих и проектируемых предприятий (технологических процессов) для окружающей среды, человека, животных, растений, сельского, лесного и рыбного хозяйства;

‒ улучшение качества окружающей природной среды;

‒ своевременное выявление и корректировка конкретных технологических процессов, наносящих ущерб окружающей среде, угрожающих здоровью человека.

Итак, именно экология является научной базой охраны окружающей среды.

Стратегической задачей экологии считается развитие теории взаимодействия природы и общества на основе ново­го взгляда, рассматривающего человеческое общество как не­отъемлемую часть биосферы.

Решение поставленных задач позволит достигнуть ощу­тимых результатов в ближайшей перспективе и, в конечном счете, главнейшей цели – вывести человечество из глобаль­ного экологического кризиса на путь устойчивого развития, при котором достигается удовлетворение жизненных потреб­ностей нынешнего поколения без лишения такой возможности будущих поколений.

Экология изучает уровни биологической организации от организма до экосистем.

Ген, клетка, орган, организм, популяция, сообщество (био­ценоз) – главные уровни организации жизни, которые явля­ются биотическими компонентами биосистем, которые вместе с абиотическими компонентами образуют среду обитания орга­низмов. Абиотическая среда («неживая», bios – жизнь, а – отрицание) состоит из отдельных неорганичес­ких частей (воздух, вода и др.) и факторов (температура и др.), которые и называют абиотическими компонентами, в отличие от биотической среды и биотических компонентов, представ­ленных живым веществом.

Экология изучает биотические системы с организменного уровня и выше, т. е системы организмов (организм + абиоти­ческая среда), популяционные системы (популяция + абиоти­ческая среда) и экосистемы (биоценоз + биотоп). Так образу­ются уровни биологической организации биологических систем, которые различаются по принципам организации и масштабам явлений.

В экологии организм рассматривается как целостная сис­тема, взаимодействующая с внешней средой, как абиотичес­кой, так и биотической. В этом случае речь должна идти о со­вокупности, определяемой как биологический вид, состоящий из сходных особей, но как индивидуумы отличающихся друг от друга. Однако всех их объединяет единый генофонд, обес­печивающий способность к размножению в пределах вида (не может быть потомства от особей различных видов). Вид – это биологически целостная группа – видовая популяция.

Популяция в самом общем виде – это совокупность осо­бей одного вида, способная к самовоспроизведению и обладаю­щая некоторой изолированностью в пространстве (Гиляров, 1990).

Популяция как биологическая единица обладает опре­деленной структурой и функцией. Ей свойствен рост, раз­витие, способность поддерживать существование в посто­янно меняющихся условиях. В популяции постоянно воз­никают наследственные изменения. В популяции происхо­дят борьба за существование, а также естественный отбор, благодаря которым выживают и дают потомство лишь осо­би с полезными в данных условиях свойствами.

Популяция обладает многими признаками, которые ха­рактеризуют группу как целое. Основными характеристи­ками популяции являются плотность, численность, рожда­емость, смертность, возрастной состав, характер распре­деления на территории.

Плотность популяции определяется числом особей, приходящихся на единицу площади или объема. Каждому виду присуща определенная оптимальная плотность попу­ляции, отклонения от которой в ту или другую сторону от­рицательно сказываются на темпах воспроизводства и жиз­недеятельности особей.

Численность популяции различна у разных видов, но она не может быть ниже некоторых пределов. Падение чис­ленности за эти пределы может привести к исчезновению популяции. Численность популяции может резко меняться по сезонам и годам. Возрастной состав популяции имеет большое значение для ее существования и процветания. При благоприятных условиях в популяции присутствуют все возрастные группы, и поддерживается более или менее стабильный возрастной состав. Возрастной состав популя­ции зависит от продолжительности жизни особей, периода достижения ими половой зрелости, числа генераций.

Характер распределения особей популяции в простран­стве может быть равномерным, случайным и скученным.

Примеры популяций: у людей – национальности, расы, у животных – породы.

На уровне популяций экология решает вопросы, свя­занные с количеством отдельных видов, изменениями и ко­лебаниями численности отдельных популяций.

Особое значение для выделения экосистем имеют трофи­ческие, т. е. пищевые взаимоотношения организмов, которые по своему трофическому статусу в биотических сообществах подразделяются на автотрофов и гетеротрофов.

По своим функциям, которые организмы выполняют в со­обществах, все организмы подразделяются на продуценты, консументы и редуценты.

Продуценты – производители продук­ции, которой потом питаются все организмы – это автотрофы, создающие органические вещества из неорганических. Консументы – потребители органических веществ: травоядные животные, питающиеся продуцентами; плотоядные (хищни­ки) – питающиеся только мясом других животных; всеядные – употребляющие и мясную и растительную пищу (человек, медведь). Редуценты (деструкторы) – восстановители, возвра­щающие вещества из отмерших организмов снова в неживую природу, разлагая органику до простых неорганических соеди­нений (микроорганизмы и грибы).

Взаимосвязи организмов в экосистемах весьма многообразны. Наиболее важное значение имеют пищевые, или трофические (греч. trophe – питание) взаимосвязи: один организм поедается другим, тот третьим и т. д. Ряд таких звеньев называется пищевой (трофической) цепью.

Энергия передается от организма к организму, создающих пище­вую, или трофическую цепь: от автотрофов, продуцентов (создателей) к гетеротрофам, консументам (пожирателям) и так четыре-шесть разс одного трофического уровня на другой.

Трофический уровень – это место каждого звена в пищевой цепи. Первый трофический уровень – это продуценты, все остальные – кон­сументы. Второй трофический уровень – это растительноядные кон­сументы; третий –плотоядные консументы, питающиеся расти­тельноядными формами; четвертый – консументы, потребляющие других плотоядных и т. д. Следовательно, можно и консументов разделить по уровням: консументы первого, второго, третьего и т. д. по­рядков.

В при­роде пищевые цепи редко изолированы друг от друга; в основном они взаимосвязаны и образуют сложную пищевую сеть.

Несмотря на многообразие возможных пищевых цепей и сложность пищевых сетей все они соответствуют простой общей схеме: организмы последующего звена поедают орга­низмы предыдущего, и таким образом осуществляется цеп­ной перенос энергии и вещества, лежащий в основе круго­ворота веществ в природе. При каждом переходе от звена к звену теряется большая часть (до 90%) потенциальной энер­гии, рассеивающейся в виде тепла. По этой причине число звеньев в цепи ограниченно и не превышает 4-5.

 

Тема лекции 2 – Устойчивость экосистем и их изменение. Понятия: Сообщество. Биоценоз. Экосистема, биогеоценоз. Экологическая пирамида. Экологические факторы среды, их классификация. Закон минимума Ю.Либиха и толерантности В.Шелфорда. Изменение экосистем – сукцессия.

Биоценоз – (от греч. bios – жизнь, koinos – вместе) включает все популяции разных видов, характеризующих­ся определенными отношениями, как между собой, так и неорганической средой на определенной территории, называ­емой биотопом (например, сообщества озера, рощи и т. д.).

Биоценоз – совокупность растений, животных и микроор­ганизмов, населяющих участок среды с более или менее однородными условиями существования, который образо­вался естественно или под влиянием человека.

Биогеоценозы (от греч. bios – жизнь, gео – земля, koinos – вместе) – экологические системы или экосистемы – са­мые сложные естественные (природные) системы.

Экосистема – любая совокупность взаимодействую­щих живых организмов, условий среды, функционирую­щих как единое целое за счет обмена веществом, энерги­ей и информацией.

Термин "Экосистема" введен в экологию английским бо­таником А. Тенсли (1935 г.), а "биогеоценоз" – русским уче­ным В. Н. Сукачевым (1942 г.).

Экосистема – это взаимосвязанный комплекс живых и неживых компонентов Земли. Живыми компонентами экосистемы являются растения, животные, грибы, большинство бактерий и вирусы (биоценоз экосис­темы); неживыми компонентами экосистемы являются ат­мосфера, солнечная энергия, вода, почва (биотоп экосис­темы).

Экосистемы не изо­лированы друг от друга: процессы в одной экосистеме неиз­бежно затрагивают и другую, соседнюю экосистему. Так, частицы почвы и элементы питания, вымываемые водой из почвы, могут влиять на жизнь в водоемах. Все экосистемы взаимосвязаны и взаимозависимы.

Ю. Одум выделяет три группы природных экосистем: наземные, пресноводные и морские.

Наземные экосистемы – это тундра, пустыня, лесо­степи и т. д. Пресноводные экосистемы включают стоячие воды, текущие воды, заболоченные угодья; морские эко­системы включают: открытый океан, прибрежные воды, глу­боководные зоны и т. д.

Экосистемы – основной объект изучения экологии (синэкология). Синэкология рассматривает состав и структуру сообществ, а также закономерности их функционирования. Главная теоретическая и практическая задача синэкологии заключается в том, чтобы не только вскрыть закономерно­сти функционирования экосистем, но и научиться управ­лять ими в условиях все возрастающего влияния человека на окружающую природную среду.

Экологические пирамиды. Функциональные взаимосвязи, т. е. трофическую структуру, можно изобразить графически, в виде так называемых экологических пи­рамид. Основанием пирамиды служит уровень продуцентов, а последующие уровни питания образуют этажи и вершину пирамиды.

Известны три основных типа экологических пирамид:

1) пирамида чисел, отражающая численность организмов на каждом уровне (пира­мида Элтона);

2) пирамида биомассы, характеризующая массу живого вещества – общий сухой вес, калорийность и т. д.;

3) пирамида про­дукции (или энергии), имеющая универсальный характер, показываю­щая изменение первичной продукции (или энергии) на последова­тельных трофических уровнях.

Пирамида чисел отображает отчетливую закономерность, обнару­женную Ч. Элтоном: количество особей, составляющих последователь­ный ряд звеньев от продуцентов к консументам, неуклонно уменьша­ется (рис. 2.1). В основе этой закономерности лежит, во-первых, тот факт, что для уравновешивания массы большого тела необходимо мно­го маленьких тел; во-вторых, от низших трофических уровней к выс­шим теряется количество энергии (от каждого уровня до предыдущего доходит лишь 10% энергии) и в-третьих – обратная зависимость мета­болизма от размера особей (чем мельче организм, тем интенсивнее об­мен веществ, тем выше скорость роста их численности и биомассы).

Однако пирамиды численности будут сильно различаться по форме в разных экосистемах, поэтому численность лучше приводить в табличной форме, а вот биомассу – в графической. Она четко ука­зывает на количество всего живого вещества на данном трофическом уровне, например, в единицах массы на единицу площади – г/м² или на объем – г/м³ и т. д.

 

Рис. 2.1. Упрощенная схема пирамиды Элтона (по Г. А. Новикову, 1979)

Все три правила пирамид отражают энергетиче­ские отношения в экосистеме, а пирамида продукции (энергии) име­ет универсальный характер.

В природе, в стабильных системах, биомасса изменяется незначи­тельно, т. е. природа стремится использовать полностью валовую продукцию. Знание энергетики экосистемы и количественные ее по­казатели позволяют точно учесть возможность изъятия из природной экосистемы того или иного количества растительной и животной биомассы без подрыва ее продуктивности.

В природных экосистемах энергетические потоки также изменя­ются по своей интенсивности и характеру, но этот процесс регулиру­ется действием экологических факторов, что проявляется в динамике экосистемы в целом.

Экологические факторы – любое условие среды, на которое живой организм реагирует приспособительными реакциями. Среди них различают три разные по своей природе группы факторов: абиотические, биотические, антропогенные.

Абиотические факторы подразделяются на климатические, эдафические и антропогенные.

К климатическим факторам относятся:

1. Поступающая от Солнца энергия и периодическая – по времени суток и года – смена освещенности (фотопериодизм). Видимый спектр солнечных лучей (длина волны 0,4-0,76 мкм) нас освещает, инфракрасный (длина волны 0,75 мкм-10³ м) – согревает, а ультрафиолетовый (0,4-0,3 мкм) – кормит, участвуя в фотосинтезе, и, в небольших дозах, оздоровляет. Однако ультрафиолетовые лучи с длиной волны менее 0,3 мкм крайне вредны и даже смертельны для живых организмов.

2. Влажность атмосферного воздуха и количество осадков.

3. Газовый состав атмосферы, в норме состоящий из смеси азота (78,09%), кислорода (20,05%), углекислого газа (0,03%) и других газов, включая озон в верхних слоях. Азот участвует в создании белков, образующих массу тела живых организмов, в которые он попадает в результате деятельности микроорганизмов, способных его усваивать из воздуха и передавать почве и растениям. Кислород входит в состав белков, жиров и углеводов, обеспечивая окисление питательных веществ в клетках, что является источником энергии живых организмов. Углекислый газ участвует в фотосинтезе растений, а также является регулятором солнечного и ответного земного излучения тепловых лучей. Озон является «зонтиком», задерживающим ультрафиолетовые лучи с длиной волны менее 0,3 мкм, смертельные для жизни.

4. Температура.

5. Ветер и атмосферное давление.

К эдафическим факторам относятся почвы различ­ной плодородности, формирующиеся в результате взаимодей­ствия климата, растений, животных и микроорганизмов, и вода различной степени прозрачности, кислотности и наличия ра­створенных газов, особенно кислорода.

Антропогенные факторы – порождены деятельнос­тью человека (изъятие природных ресурсов, изменение ландшафтов, загрязнение природной среды, техногенные и нетехногенные факторы).

Преобладающая часть антропогенных факторов, свя­занная с производством, с применением техники, машин, строительства, носит название техногенных факторов.

К биотическим факторам относится вся совокупность влия­ний жизнедеятельности одних организмов на другие (таблица 2.1).

Таблица 2.1

Взаимодействие между видами

Тип взаимодействия популяций А и Б	Результат взаимодействия
Нейтрализм	Взаимодействие отсутствует
Конкуренция	Одна популяция стремится истребить другую
Мутуализм, симбиоз или сотрудничество	Взаимопомощь
Комменсализм (А – ком­менсал хозяина Б)	Обязательно для А; Б воздействия не испытывает
Аменсализм (А – аменсал, Б – ингибитор)	А подавляется; Б воздействия не испытывает
Паразитизм (А – паразит хозяина Б) или хищничество(А – хищник, Б – жертва)	Обязательно для А; Б подавляется Обязательна для А; Б поедается

 

Воздей­ствие происходит как внутри видов через половозрастные отно­шения, совместную охоту и защиту от врагов или, наоборот, борьбу за пищу и территорию, так и между видами.

Все перечисленные факторы действуют на живые орга­низмы экосистемы одновременно. При этом организму нужно для нормального существования не про­сто наличие какого-либо условия, например температуры, мине­ральных солей, а строго определенных его максимальных и минимальных значений.

Однако разные организмы обладают разной толерантностью, т. е. степенью устойчивости, величиной выносливости к изме­нениям тех или иных факторов. Одни гибнут при температуре выше 50°С, а другие выдерживают кипячение.

Кроме того, что для нормального развития организмов необ­ходимо наличие различных факторов строго определенного ка­чества, каждый из них должен быть еще и в определенном количестве. В соответствии с законом толерант­ности (закон толерантности Шелфорда) избыток какого-либо вещества может быть так же вреден, как и его недостаток, т. е. все хорошо в меру. Напри­мер, урожай может погибнуть как при засушливом, так и при слишком дождливом лете.

При этом по закону минимума, (Закон минимума Ю.Либиха, 1840 г.) недостаток ка­кого-либо одного вещества не компенсируется избытком всех остальных. Если в почве много азота, калия и других питатель­ных веществ, но не хватает фосфора (или наоборот), растения будут нормально развиваться только до тех пор, пока не усвоят весь фосфор. Факторы, сдерживающие развитие организмов из-за недостатка или их избытка по сравнению с потребностями, называются лимитирующими.

Пренебрежение законами «лимитирующего фактора» (зако­ном минимума и законом толерантности) ведет к двойным по­терям – экологическим и экономическим.

Еще более серьезные последствия может иметь превышение максимально допустимых величин некоторых веществ, так на­зываемых ПДК, в окружающей среде, что ведет к росту забо­леваний и даже гибели людей и других организмов.

Крайние границы выживаемости определяются толерантно­стью, но внутри них каждый вид лучше всего развивается в тех условиях, к которым он адаптирован. Адаптация означает при­способление строения и функционирования организма к боль­шему или меньшему воздействию тех или иных экологических факторов. Соответственно этому отдельные виды расселяются в лесах или полях, в воде или на суше, на юге или на севере.

Вся совокупность жизненных условий, необходимых для существования того или иного вида, а также его роль в биоло­гическом сообществе представляют собой экологическую нишу. Каждый вид занимает свою собственную нишу, отвоеванную у других в ходе конкурентной борьбы. В случае исчезновения вида по каким-либо причинам, его экологическую нишу рано или поздно занимает другой вид, способный выполнять те же обязанности (функции) в сообще­стве, что и исчезнувший вид, т. е. происходит экологи­ческое дублирование.

Одна из причин, позволяющих экосистемам длительное время сохранять постоянный видовой состав, заключается в том, что отношения между всеми их компо­нентами находятся в динамическом равновесии.

Равновесие экосистемы – это равновесие популяций. Стабильность экосистемы предполагает, что численность популяции каждого входящего в нее вида остается более или менее неизменной. Устойчивое увеличение или умень­шение популяции приводит к изменению экосистемы. Ста­бильность популяции означает, что рождаемость и смерт­ность находятся в равновесии, а они зависят от биотичес­кого потенциала и сопротивления среды.

Видовое разнообразие обеспечивает стабильность экосистемы. Высокая плотность одного вида повышает вероятность гибели значительного числа его особей при вспышке численности вредителей, что может привести к гибели экосистемы.

Отсюда следует, что наиболее устойчивой будет экосистема со многими от­носительно малочисленными видами.

Изменение условий воздействует на некоторые виды неблагоприятно: они снижают численность, а иногда и вов­се исчезают из экосистемы. Другие виды от этого могут выиграть, и их численность увеличивается. Изменившиеся условия могут позволить включиться в экосистему новым видам. Процесс вытеснения одних видов другими называет­ся сукцессией. В результате сукцессии происходит посте­пенное превращение одних экосистем в другие.

Различают первичную и вторичную сукцессии.

Первичная сукцессия – процесс развития и смены эко­систем на незаселенных ранее участках, начинающийся с их колонизации (пример: обрастание голой скалы мхом и впоследствии – развитие на ней леса).

Вторичная сукцессия – восстановление экосистемы, когда-то уже существовавшей на данной территории (на­пример, восстановление экосистемы после пожара).

Климаксовая экосистема. Сукцессия завершается ста­дией, когда все виды экосистемы сохраняют относительно постоянную численность и дальнейшей смены ее состава не происходит. Такое равновесное состояние называется кли­максом, а экосистема – климаксовой (пример – Ясеневая роща в Казахстане). Основные биомы Земли – климаксовые экосистемы.

Эко­логические нарушения возникают при вторжении в экосис­тему новых, интродуцированных видов (например, при интродукции кролика в Австралию) или непродуманном воз­действии человека на природу (например, сброс биогенов в водоем). Изменения экосистемы могут быть такими резки­ми, что практически ни один ее исходный компонент не сохраняется. Тогда говорят о гибели данной экосистемы (Аральское море).

Сокращение видового разнообразия и ускоряющееся резкое изменение окружающей среды снижают устойчи­вость биосферы.

 

Тема лекции 3 – Основные принципы функционирования природных экосистем. Характеристика большого и малого круговоротов. Биогеохимические круговороты основных химических элементов: воды, углерода, азота, кислорода и фосфора.

Характеристика большого и малого круговоротов. Все вещества на нашей планете находятся в процессе круговорота. Солнечная энергия вызывает на Земле два круговорота веществ:

- большой (геологический или абиотический);

- малый (биотический, биогенный или биологический).

Круговороты веществ и потоки космической энергии создают устойчивость биосферы. Круговорот твердого вещества и воды, происходящий в результате действия абиотических факторов (неживой природы), называют большим геологическим круговоротом. При большом геологическом круговороте (протекает миллионы лет) горные породы разрушаются, выветриваются, вещества растворяются и попадают в Мировой океан; протекают геотектонические изменения, опускание материков, поднятие морского дна. Именно большой круговорот поставляет живым организмам элементы питания и во многом определяет условия их существования.

Малый, биогенный или биологический круговорот веществ происходит в твердой, жидкой и газообразных фазах при участии живых организмов. Биологический круговорот в противоположность геологическому требует меньших затрат энергии. Малый круговорот является частью большого, происходит на уровне биогеоценозов (внутри экосистем) и заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела. Продукты распада органического вещества разлагаются до минеральных компонентов. Малый круговорот незамкнут, что связано с поступлением веществ и энергии в экосистему извне и с выходом части их в биосферный круговорот.

В большом и малом круговоротах участвует множество химических элементов и их соединений, но важнейшими из них являются те, которые определяют современный этап развития биосферы, связанный с хозяйственной деятельностью человека. К ним относятся круговороты углерода, серы и азота (их оксиды – главнейшие загрязнители атмосферы), а также фосфора (фосфаты – главный загрязнитель материковых вод). Практически все загрязняющие вещества выступают как вредные, и их относят к группе ксенобиотиков.

Биологический круговорот происходит при участии живых организмов и заключается в воспроизводстве органического вещества из неорганического и разложении этого органического до неорганического посредством пищевой трофической цепи.

Природные экосистемы функционируют в соответствии с тремя основными принципами:

Первый принцип функционирования природных эко­систем – получение ресурсов и избавление от отходов про­исходит в рамках круговорота всех элементов (гармонирует с законом сохранения массы). Круговорот биогенных эле­ментов, обусловленный синтезом и распадом органических веществ в экосистеме, в основе которого лежит реакция фотосинтеза, называют биотическим круговоротом ве­ществ. Кроме биогенных элементов в биотический кругово­рот вовлечены важнейшие для биоты минеральные элемен­ты и множество различных соединений. Поэтому весь цик­лический процесс химических превращений, обусловлен­ных биотой, называют еще биогеохимическим круговоро­том.

Круговорот углерода. Углерод является главным участником биотического круговорота как основа органического вещества. На рис. 3.1 представлена схема круго­ворота углерода в природе.

 

 

Рисунок 3.1 Круговорот углерода

Молекулы углекислого газа из воздуха и воды постав­ляют углерод для образования в ходе фотосинтеза глюкозы и других органических веществ, из которых построены все ткани продуцентов. Процесс фотосинтеза можно схематич­но представить уравнением:

6СО₂ + 6Н₂О → С₆ Н₁₂ О₆ + 6О₂.

В дальнейшем эти органические вещества переносятся по пищевым цепям и образуют ткани всех остальных жи­вых организмов экосистемы. Возвращаются в атмосферу ато­мы углерода в процессе клеточного дыхания:

С₆ Н₁₂ О₆ + 6О₂ → 6СО₂ + 6Н₂О + Q

При этом выделяется энергия (Q), которая использует­ся живым организмом для синтеза необходимых ему веществ и выполнения жизненных функций. Особенность круговоро­та углерода состоит в том, что в далекие геологические эпохи (сотни миллионов лет назад) значительная часть фотосинтезируемого органического вещества не использова­лась фитофагами, а постепенно погребалась под различны­ми минеральными осадками. Находясь в земле миллионы лет, этот детрит под действием высоких температур и дав­ления превратился в нефть, природный газ, уголь в зави­симости от условий и про

12Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: