Исследование взаимоотношений организмов друг с другом и с окружающей средой

Содержание:

 

Введение…………………………………………………………………………………………...

1. Адаптация организмов. Экологическая валентность

(экологическая пластичность) вида………………………………………...................................

2. Основные типы математических моделей при экологическом моделировании………...
3. Биогеохимический круговорот кислорода. Как человек вмешивается в

естественный круговорот кислорода.......................................................................................

4. Приведите примеры основных источников загрязнения атмосферы……………………..
5. Основные виды загрязнения почв……………………………………………………………
6. Основные ступени и блоки системы мониторинга…………………………………………

Заключение………………………………………………………………………………………...

Список использованных источников…………………………………………………………….

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Основным содержанием общей экологии становится исследование взаимоотношений организмов друг с другом и с окружающей средой. Говоря об экологии, мы подразумеваем как локальные, местные проблемы, с которыми сталкиваемся дома, в городе, на заводе, в поле, районе, государстве, так и глобальные. Экология как наука включает в себя весь комплекс взаимодействия факторов - как природных и технологических, так и социальных, моральных, нравственных. Более того, социальные факторы в настоящее время становятся определяющими, ведущими, представляют собой сознательную деятельность людей, активно отстаивающих свои цели, интересы, часто далеки от интересов общества и человечества в целом, идущие иногда в разрез с этими интересами.

Предметом исследования экологии являются не единичные особи, а группы особей - популяции, сообщества, экосистемы, т. е. биологические макросистемы, их динамика во времени и пространстве. Многообразие связей, формирующихся на уровне биологических макросистем, обусловливает разнообразие методов экологических исследований.

 Экология обладает  целым комплексом различных методов и приемов исследования. Основными методами выступают: наблюдение, сравнительный анализ, эксперименты (лабораторные и полевые), а также мониторинг. Наблюдение и сравнительный анализ являются традиционными методами науки, на основе которых экологи получают первичную информацию, описываемую и подвергаемую анализу. Становясь при этом вторичной, информация используется для дальнейших теоретических построений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Адаптация организмов. Экологическая валентность (экологическая пластичность) вида.

У всех видов и даже отдельных  организмов требования к параметрам экологических факторов неоднозначны – у одних более широкие, у  других – более узкие (рис. 1). Соответственно и выживаемость живых организмов имеет свои амплитуды.

Рис. 1. Пределы толерантности стенотермных и эвритермных организмов: у стенотермного вида минимум, оптимум и максимум сближены, так что небольшие изменения температуры, которые мало сказываются на эвритермном виде, для стенотермного часто критичны. Стенотермные организмы могут быть толерантными к низким температурам (олиготермными), к высоким температурам (политермными) или обладать промежуточными свойствами

По отношению к влаге  растения могут быть влаголюбивыми (гигрофильными), предпочитающими умеренную  влажность (мезофильными) и сухолюбивыми (ксерофильными). Виды рода «береза» хорошо себя чувствуют как на сухих, так  и увлажненных почвах, а рода «ель»  – на почвах с умеренным увлажнением.

Значения любого экологического фактора, близкие к предельным минимальным  и максимальным величинам, характеризуются  как пессимальные или пессимумы. В таких условиях снижаются жизненная  активность, упитанность, подвижность, плодовитость и другие характеристики. Кроме того, для живых организмов имеет значение не только амплитуда, но и скорость колебания того или  иного фактора. Например, подопытные гусеницы погибли при резком охлаждении с +15 до -20°С, в то время как при  постепенном охлаждении их удалось  охладить до абсолютного нуля и вернуть  затем к жизни.

Способность вида адаптироваться к отдельным факторам или их комплексу  называется экологической валентностью или пластичностью. Чем выше пластичность вида, тем выше и его приспособляемость  к конкретной экологической системе, тем больше шансов у его популяции выжить в условиях динамичных во времени факторов среды. Можно говорить о том, что экологическая пластичность лося, с точки зрения избирательности к пище, адаптированности к динамике температуры или высоте снежного покрова, выше, чем у кабана, а воробей более пластичный вид, чем дрозд.

Требовательность и толерантность  к факторам среды определяют область  географического распространения  особей конкретного вида вне зависимости  от степени постоянства их обитания, т.е. ареал вида.

Динамичность экологических  факторов во времени и пространстве зависит от астрономических, гелиоклиматических, геологических процессов, которые  выполняют управляющую роль по отношению  к живым организмам. Эволюционно  выработанные и наследственно закрепленные особенности живых организмов, обеспечивающие нормальную жизнедеятельность в  условиях динамичных экологических  факторов, называются адаптациями.

Различают:

– морфологические адаптации  – например, строение организмов, обитающих  в воде (приспособления к быстрому плаванию у китообразных, к парению  в воде у планктона). Растения, обитающие  в пустынях, лишены листьев, и их строение приспособлено к минимальным  потерям влаги.

– физиологические адаптации  – например, в особенностях ферментативного  набора в пищеварительном тракте животных, определяемого составом пищи.

– поведенческие (этологические) адаптации – проявляются в  различных формах. Существуют формы  приспособительного поведения животных, направленные на обеспечение нормального  теплообмена с окружающей средой: создание убежищ, передвижение с целью  выбора оптимальных температурных  условий, суточные и сезонные кочевки  млекопитающих и птиц.

Животные адаптируются не только к температурным колебаниям, но и к динамике влажности, освещенности, уровню солнечной радиации, множеству  других экологических факторов. Наиболее интенсивно естественный отбор действует  при широких колебаниях экологических  факторов. Поэтому особенности поведения  животных направлены на то, чтобы избежать угрозы оказаться в экстремальных  условиях. Это проявлялось и в  ходе эволюции. Согласно «принципу  минимальной амплитуды» живой организм при прочих равных условиях выбирает такие местообитания, в которых  обеспечивается минимальная амплитуда  колебаний одного или нескольких лимитирующих факторов среды.

Приспособительное поведение  может проявляться у хищников в процессе выслеживания и преследования  добычи, а у жертв – в ответных реакциях (затаивание). Некоторые насекомые отпугивают хищников и паразитов резкими движениями. Чрезвычайно разнообразны поведенческие реакции млекопитающих и птиц в брачный период.

2. Основные типы математических моделей при экологическом моделировании

 Условно можно считать,  что математическая экология (математическое  моделирование и прогноз экологических  процессов) возникла не с появлением  экологии как науки, а значительно  раньше. Например, известное моделирование  плодовитости кроликов (1228 г., итальянский  математик Фибоначчи) представляет  одну из первых попыток математического  прогноза динамики биологических  процессов. 

 Первые математические  модели учитывали закономерности  естественного развития экологических  систем. Полагалось, что компоненты  экосистем, взаимодействуя, стремятся  к стабильности своего системного  образования и подчиняются законам  эволюции. Под стабильностью экосистемы  понимается ее способность к  изменению своей структуру без  разрушения системы в целом,  а под сохранением - способность  сохранять се основные характеристики. Экосистема в целом является  саморегулпруемым комплексом, который  стремится достиг путь стабильного  состояния. Это возможно благодаря  наличию как прямых, так и внутренних  или внешних обратных связен. Простое саморегулирование, основанное  па отрицательных обратных связях, осложняется наличием вторичных  реакции и существованием предельных  воздействий на экологические  объекты. 

 В дальнейшем появились  модели техносферы и модели, учитывающие  антропогенное воздействие на  компоненты планетарной экосистемы  с проведением численных экспериментов  и формированием качественных  и количественных прогнозов. Модели  стали базироваться на массовых  данных динамического контроля, которые в той или иной степени  отвечали требованиям пространственно-временной,  качественной и количественной  репрезентативности. При наличии  обратных связен равновесие экосистемы  имеет многозначный характер:

- стабильное равновесие, когда имеет место тенденция  системы реставрировать условия  предыдущего равновесия, которые  были нарушены извне; 

- нестабильное (дискретностабильное)  равновесие, когда незначительное  внешнее воздействие ведет к  изменениям, заканчивающимся достижением  нового устойчивого равновесия;

- динамическое равновесие - режим сбалансированных колебаний  системы относительно постоянно  развивающихся во времени и  в определенном направлении условии  функционирования системы, причем амплитуда этих колебании значительно превышает размах изменений среднего состоянья системы.

 Время, необходимое  для перехода системы из неравновесного  состояния, вызванного антропогенными  или естественными причинами,  в повое или прежнее равновесное  состояние, называют временем  релаксации. Время релаксации зависит  от устойчивости и состояния  элементов системы, структуры  системы, направленности экологических  Изменений. 

Системный экологический  анализ позволяет исследовать характер, формы и масштабы экологических  взаимосвязей и взаимодействий, проанализировать устойчивость и адаптацию объектов экосферы. В качестве инструментария системного экологического анализа  наиболее часто используют математическое и физическое моделирование, методы оптимизации, теорию множеств и преобразовании и др.

 В настоящее время  существует множество методов  прогнозирования. Их различают  по количественной или качественной  природе, точности, надежности, применяемому  математическому аппарату, характеристикам  объекта прогнозирования и др. В процессе развития прогностика  шла эмпирико-индуктивным путем,  т. е. закономерности формулировались  на основе анализа и обобщения  методов прогнозирования определенных  объектов.

Методы экологического моделирования  можно условно разделить на физические и математические. При физическом моделировании изучаемое явление  воспроизводится в том или  ином масштабе с сохранением его  физической природы. Математическое моделирование  представляет собой способ исследования экологических явлений путем  изучения процессов, имеющих различное  физическое содержание, но описываемых  одинаковыми математическими соотношениями. Важным моментом является составление  математической модели на основании  формализованной (содержательной) схемы  изучаемого явления. При этом выделяются сведения, непосредственно характеризующие  объект наблюдения, производится постановка цели и задач исследования с перечнем искомых величин и требований к ним, задаются начальные условия. Решение математических моделей  может осуществляться аналитически, численными методами, на аналоговых и  цифровых вычислительных машинах. Математическая модель сложной системы (куда относят  экологические системы) состоит  из математических моделей подсистем, их элементов и математических моделей  взаимодействуя между подсистемами. Процесс построения моделей экологических  объектов является трудоемким и требует  от разработчиков как знаний об объекте  моделирования, так и навыков  в системотехнике и моделировании.

 Основным признаком  отнесения системы к сложной  является содержание в ней  процесса решения (а следовательно,  наличие цели). Необходимо также  наличие следующих признаков: 

- множество взаимосвязанных  и взаимодействующие элементов; 

- многофакторность цели;

- возможность разбиения  системы на подсистемы;

- управление множеством  информационных, энергетических, вещественных  потоков в системе; 

- взаимодействие с внешней  средой.

 Условное изображение  объекта сложной экологической  системы представлено на рис. 2.

Рис.2. Структурно-функциональная схема объекта сложной экологической системы

 При современном экологическом  состоянии актуальное значение  приобретает количественная оценка  состояния объектов контроля  и управления. Естественным желанием  исследователей является возможность  получать оценку по одному  обобщенному (интегральному) показателю, хотя набор подобных показателей  видится наиболее полной характеристикой.  Полный набор интегральных показателей  наиболее качественно будет характеризовать  экологическое состояние на альтернативном (да - нет) или множественном (относительные  или абсолютные значения состояния  объекта) уровнях. 

 Известен ряд зависимостей  потоков вещества и энергии  в экосистемах, но мало известно  об информационном взаимодействии. Выявление информационных законов  в системе живого и неживого  позволит выявить дополнительные  управляющие воздействия и управляемые  последствия, для чего необходимо  создание обновляющихся баз данных.

Математическое моделирование  экосистем является научным направлением, которое становится действенным  аппаратом познания экологических  процессов, приближает к осуществлению практики управления ими. Причем математическое моделирование и экспериментальные наблюдения взаимно дополняют и развивают друг друга.

Первый тип моделей  основан на фундаментальных законах  материального мира (законы сохранения энергии, массы, количества движения, переноса, трансформации и др.). Исследователь  проводит отбор наиболее существенных законов для конкретного объекта, осуществляет их формализованную запись, решает записанные уравнения и производит интерпретацию получаемых решений. К этому перечню зачастую добавляется  процесс верификации моделей.