Лекции по экологии

     Более половины энергии, связанной при фотосинтезе сразу расходуется в процессе дыхания самих растений, а остальная часть энергии запасается, идет на наращивание биомассы.

     Фотосинтез, обеспечивающий основную аккумуляцию  энергии, протекает в хлоропластах. Клетки зеленых растений содержат хлоропласты, состоящие из цитоплазматической основы и зеленого пигмента хлорофилла. Вода, всасываемая корнями, поднимается по капиллярам ствола и веток до листьев и попадает в клетки к хлоропластам. Второй основной компонент – углекислый газ – поступает из атмосферы через устьица, которые открываются днем под воздействием света. При наличии воды, углекислого газа и энергии солнечного света с участием пигментов протекает сложная окислительно-восстановительная реакция – фотосинтез, в результате которой образуются сахара и молекулы кислорода. Сахара – низкомолекулярные углеводороды – моносахариды и олигосахариды. Реальный процесс фотосинтеза является многостадийным, сложным, но суммарное уравнение можно записать как 

     6*CO₂ + 6*H₂O + hn   à C ₆ H ₁₂ O ₆  +  6*O ₂

       

     Моносахариды  – простейшие углеводороды, не подвергаются гидролизу, т.е. не расщепляются водой  на более простые углеводороды.

     Глюкоза – виноградный сахар C ₆ H ₁₂ O ₆ содержится во многих фруктах, в крови человека и животных. Мышечная работа совершается главным образом за счет энергии, выделяемой при окислении глюкозы.

     Фруктоза  – плодовый сахар C ₆ H ₁₂ O ₆ , отличается расположением атомов в молекуле.

     У всех зеленых растений реакция фотосинтеза  идентична. Полученные химические соединения используются растениями для энергообеспечения. Прооцесс окисления органических соединений кислородом воздуха называется дыханием. Дыхание – источник энергии, расходуемый клеткой на все нужды. Процесс дыхания непрерывен, но его интенсивность ниже фотосинтеза. Природа дыхания и горения одинакова.

     Фотосинтез  и дыхание – противоположные  процессы, являющиеся основой энергетических процессов в биосфере.

     Синтез  углеводородов может осуществляться бактериями с использованием энергии  света, таким образом синтезируют глюкозу серные бактерии, которые относятся к хемосинтетикам 

     6*CO₂ + 12*H₂ S + hn   à C ₆ H ₁₂ O ₆  +12* S +   6*H₂O  

     Особую  группу образуют нитрифицирующие бактерии, которые получают энергию за счет окисления или за счет окисления  аммиака и водорода, и ферробактерии, окисляющие двухвалентное железо до трехвалентного.

     Живые организмы взаимодействуют с  компонентами биосферы через обмен, питание, дыхание, выделение продуктов  обмена.

     Необходимость создания направленного потока энергии  и круговорота веществ приводит к определенным ограничениям в подборе видов, которые могут составить биоценоз. Эти виды должны быть связаны пищевыми или трофическими цепями.

     Трофическая цепь – это последовательный перенос  вещества и энергии от источника (зеленых растений) через ряд других организмов на более высокие трофические уровни.

     Экосистема  любого уровня включает автотрофов и  гетеротрофов. Автотрофные организмы  – это фотосинтезирующие растения или хемотрофы, создающие энергетическую базу для других компонентов биосферы, они являются продуцентами. Гетеротрофные организмы используют, разлагают и перестраивают сложные вещества, синтезированные автотрофами, эти организмы являются консументами (потребителями) Различают первичных консументов ( травоядные) и вторичные - хищники. Автотрофы и гетеротрофы взаимосвязаны и не могут обойтись друг без друга.

     Кроме  автотрофов и гетеротрофов биотический  круговорот обеспечивается редуцентами  или деструкторами, являющиеся гетеротрофами. Они разлагают органические остатки  всех трофических уровней.

     На  всех трофических цепях процессы преобразования сопровождаются рассеянием энергии. Результирующий поток энергии, переходящий на следующий трофический  уровень обычно не превышает 10% энергии, полученный данным уровнем. Эта закономерность носит название «правило 10%». В результате трофические цепи не могут быть очень длинными, т.к. количество энергии уменьшается с каждым уровнем. Трофические цепи обычно не превышают 4-6 звеньев (трава – овцы – волки).

     Цепи  питания не всегда бывают полными (трупы – стервятники). Цепи могут пересекаться, образуя сети питания, что обеспечивает повышение устойчивости систем, т.к. при недостатке одного источника может использоваться другой.

     Среди огромного разнообразия взаимосвязей живых существ выделяют определенные типы отношений, имеющие сходные черты у организмов разных групп – биотические факторы,  с которыми начинали знакомиться в предыдущей теме. Выделяют: нейтрализм – популяции не влияют друг на друга (лоси – белки); симбиоз – взаимовыгодное сосуществование; антибиоз – при взаимодействии обе популяции или одна из них испытывает отрицательное влияние. Симбиоз может протекать в виде комменсализма (акула – рыба-лоцман), протокооперации (клубеньковые бактерии – бобовые растения, актиния – рак-отшельник), мутуализма (микроорганизмы в желудке жвачных животных). Антибиоз проявляется в виде хищничества и паразитизма.

     Когда у двух близких видов имеются  сходные  потребности, возникает  конкуренция, которая может проявлять  в следующих видах:

• взаимное конкурентное подавление;
• конкуренция из-за ресурсов;
• аменсализм – одна из популяций подавляет другую.

     Факторы, которые могут замедлять рост как отдельного организма, так и  экосистемы в целом, называются лимитирующими. Согласно закону Шелфорда лимитирующим фактором развития системы или организма может быть  как минимум, так и максимум экологического фактора, диапазон между которыми определяет величину выносливости системы или организма к данному фактору.

     Толерантность – способность организма переносить неблагоприятное влияние того или иного фактора среды.

     Оптимум – зона наибольшей жизнеспособности особи или популяции, при рассмотрении интенсивности воздействия  фактора  внешней среды, при удалении от этой зоны выделяют зону нормальной жизнедеятельности, далее – зону угнетения.

     Формирование  экосистем проходило под воздействием множества факторов, что привело  к многообразию довольно стабильных экологических комплексов – биомов.

     Биом  –  совокупность видов растений и животных одной природно-климатической  зоны, характеризующаяся определенным типом структуры, которая  обеспечивает комплексную адаптацию к условиям среды (тундра, степь и т.д.).

     На  планете наблюдается смена биомов по широтам и в зависимости  от высоты подъема над  уровнем  океана.

     Существование устойчивых экосистем возможно при согласованности энергетических потоков. Экологической эффективностью экосистемы называется относительное количество энергии, передающееся от одного трофического уровня к другому.

     Экологическая пирамида – графическое представление  соотношения различных трофических уровней. Различают следующие виды пирамид:

• пирамида чисел – численность отдельных организмов на каждом уровне (число особей на площадь или объем);
• пирамида биомассы – удельный сухой вес,  энергосодержание или другая мера живого вещества;
• пирамида энергии – величина потока энергии, отнесенная к единице времени.

Пирамиды  чисел и биомассы могут быть обращенными.

     Экосистемы  взаимодействуют друг с другом. Менее  устойчивые экосистемы вытесняются  более устойчивыми. Этот процесс  определяется следующими факторами:

1. Упорядоченным процессом развития, установлением в экосистеме стабильных взаимоотношений между видами.
2. Изменением климатических условий.
3. Изменением физической среды под влиянием жизнедеятельности организмов, составляющих экосистему.

     Последовательная смена во времени одних экосистем другими на определенном участке земной поверхности называется сукцессией. Сукцессия может быть первичной и вторичной. Главную роль в развитии экосистемы играют растения.

     Характеристиками  популяций являются:

• плотность,
• возрастная структура,
• половая структура,
• распределение по экосистеме (случайное, равномерное, групповым).

     Экологическая ниша – место вида в природе, включающее положение в пространстве и его  функциональную роль в сообществе (в  частности – место в трофической цепи).

     По  взаимному расположению экологические  ниши разделяются на следующие типы:

• не соприкасающиеся,
• контактирующие, но не перекрывающиеся,
• соприкасающиеся и перекрывающиеся.

     В последнем случае действует принцип  Гаузе – принцип соревнования-исключения, т.е. при перекрытии происходит либо к экологическому разделению близких видов, либо к уменьшению их плотности там, где они могут сосуществовать.

     При адаптации популяции к изменяющимся внешним условиям протекает микроэволюция. Стадии микроэволюции:

1. Возникновение морфологических изменений.
2. Накопление физиологических изменений.
3. Биохимические изменения.
4. Образование новых подвидов.
5. Образование новых видов.

 

     Тема 4. Экология человека и характер антропогенных  воздействий на биосферу 

     Экология  человека – наука, рассматривающая биосферу как экологическую нишу человечества, изучающая природные, социальные и экономические условия как факторы среды обитания человека, обеспечивающие его нормальное развитие и воспроизводство.

       Экология человека – наука,  изучающая вопросы развития народонаселения, сохранения и улучшения здоровья людей, совершенствования физических и психических возможностей человека при взаимодействии с окружающей средой с учетом природных, социальных, бытовых и производственных факторов.

     Важнейшей задачей экологии человека является раскрытие закономерностей целевого освоения и преобразования природной среды в результате деятельности человека.

     Для нашей страны, как и для других стран необходимо решать следующие  задачи: создание комфортной, здоровой, экологически чистой и безопасной среды обитания человека, для достижения физического, психологического и социального благополучия, снижения смертности, увеличения продолжительности жизни, уменьшения заболеваемости.

     Как биологический вид человек может  обитать только в пределах суши экваториального пояса, но благодаря накоплению опыта, человек расширил ареал своего обитания. Ареал – область распространения систематической группы живых организмов или сообществ.

     Основные  этапы формирования экологической  ниши человека:

• палеолит – охота на крупных животных и собирательство, во время верхнего палеолита произошло похолодание, исчезновение крупных видов животных – проявляется первый экологический кризис; (2 млн.чел);
• неолитическая революция – начало формирования искусственной среды обитания (животноводство, земледелие) (100 млн. чел.);
• IV – III тыс. до н.э. – возникновение городов, земледелие, вырубка лесов;
• первые века н.э. – интенсификация производства, массовые миграции;
• XVII век – использование энергии полезных ископаемых, освоение новых территорий;
• XX век – электричество, атомная энергия, конвейерное производство, освоение космоса, интенсификация и химизация сельского хозяйства, демографический взрыв, развитие экологического кризиса.