Филиал Российского государственного университета физической культуры, спорта и туризма в г. Иркутске Кафедра естественных наук с курсом медико-биологических дисциплин УТВЕРЖДАЮ: Директор Иркутского филиала РГУФКСиТ _______________ Е.В.Воробьева «__» _________________2009 года. А.М.Садовникова, А.В. Болотов Биология с основами экологии Конспект лекций ИРКУТСК, 2009
80
Embed
; b h k h e h ] b b · Лекция 4. Принципы воспроизводства и развития живых систем J Z a ^ _ e 2. h g _ g _ l b d b, j p b b Лекция
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Филиал Российского государственного университета физической культуры,
спорта и туризма в г. Иркутске
Кафедра естественных наук с курсом медико-биологических дисциплин
УТВЕРЖДАЮ:
Директор Иркутского филиала
РГУФКСиТ
_______________ Е.В.Воробьева
«__» _________________2009 года.
А.М.Садовникова, А.В. Болотов
Биология с основами экологии
Конспект лекций
ИРКУТСК, 2009
УДК
ББК
Садовникова А.М., Болотов А.В.
Биология с Основами Экологии: Конспект лекций. – Иркутск: Издательство,
2009. - с.
Конспект лекций соответствует государственному образовательному стандарту дисциплины «Биология
с основами экологии» направления подготовки специалистов 032101.65 «Физическая культура и
спорт». В издании в компактной форме отражены материалы всего курса. Конспект лекций может быть
использован для организации и контроля самостоятельной работы студентов при изучении данной
дисциплины. С этой целью в конце конспекта даны задания, выполнение которых позволит студенту
выделить для себя самое важное и поможет усвоить пройденный материал.
Предназначен для студентов 1 курса, изучающих дисциплину
«Биология с основами экологии».
Рецензент: кандидат биологических наук, доцент Н.Ю. Копылова
Содержание
Введение
Раздел 1. Биологические закономерности организации живой природы. Живые
системы
Лекция 1. Разнообразие форм живой природы. Уровни организации живой материи.
Лекция 2. Клеточный уровень организации живой материи. Химическая организация
клетки
Лекция 3. Обмен веществ и преобразование энергии в клетке
Лекция 4. Принципы воспроизводства и развития живых систем
Раздел 2. Законы генетики, их роль в эволюции
Лекция 5. Закономерности наследования признаков
Лекция 6. Взаимодействие генов. Генетика пола.
Лекция 7. Теория эволюции органического мира
Раздел 3. Физиология, экология и здоровье, биосоциальные особенности человека
Лекция 8. Биосоциальная эволюция человека. Влияние факторов внешней среды на
особенности роста и развития человека
Раздел 4. Экология и охрана природы Лекция 9. Основные понятия экологии. Экологические факторы. Закономерности
взаимодействия организмов и среды обитания.
Лекция 10. Экология сообществ и популяций
Лекция 11. Человек и биосфера
Задания для самостоятельной работы
Рекомендуемая литература
Введение
В соответствии с государственными требованиями конспекты лекций включают в
себя:
- живые системы: особенности биологического уровня организации материи,
принципы воспроизводства и развития живых систем, законы генетики, их роль в
эволюции; клетки, их цикл; разнообразие живых организмов, принципы их
классификации, основные функциональные системы, связь с окружающей средой,
надорганизменные системы;
- физиологию, экологию и здоровье, биосоциальные особенности человека;
- экологию и охрану природы: экосистемы, их структуру, динамику, пределы
устойчивости, роль антропогенных воздействий, принципы рационального
природопользования;
Отличительной чертой данного лекционного курса является переход от изучения
общей биологии живых систем к углублѐнному изучению биологии и экологии человека,
включая те адаптационные механизмы, которые работают на отдельных этапах онтогенеза
и в различных экстремальных режимах функционирования. В связи с этим курс позволяет
вооружить тренера и педагога пониманием механизмов взаимодействия "человек-
природа" и представлением о генетических и средовых зависимостях в строении и
функционировании спортсменов. Это способствует эффективному использованию
тренировочных приемов для достижения высоких спортивных результатов и полученных
навыков в методах контроля и предупреждения предпатологических состояний опорно-
двигательного аппарата.
Конспект лекций не заменяет собой основной учебник изучаемого курса, а лишь
акцентирует внимание на узловых моментах такой обширной и многогранной
дисциплины как биология. Поэтому в конце лекций дан список основной и
дополнительной литературы, без изучения которой невозможно успешное освоение
данного курса. В системе профессиональной подготовки дисциплина, являясь
фундаментальной, обеспечивает базу для дисциплин медико-биологического профиля и
для спортивно-практических дисциплин
Раздел 1. Биологические закономерности организации живой природы. Живые системы
Лекция 1. Разнообразие форм живой природы. Уровни организации живой материи.
1.Введение. Многообразие живого мира. Принципы классификации живых
организмов.
Биология – это раздел естествознания, изучающий живую природу. Биология
изучает строение, проявления жизнедеятельности и среду обитания всех живых
организмов. Живое на Земле представлено необычайным разнообразием видов.
Насчитывают около 2,5 млн. ныне существующих видов и по крайней мере в 10 раз
больше вымерших видов. Причиной многообразия живых организмов на нашей планете
является борьба за существование, в процессе которой происходит естественный отбор и
выживание наиболее приспособленных к данным условиям особей. Т.о., в живой природе
заложены движущие силы ее эволюционного развития, в результате которого возникло
разнообразие имеющихся форм жизни. Раздел биологии, который занимается
распределением живых организмов по группам на основе сходства и родства, называется
систематикой. Основоположником систематики является шведский ученый Карл Линней
(1707-1778). Первую естественнонаучную классификацию создал Ч.Дарвин (1809-1882).
Основная единица классификации – вид (совокупность особей, имеющих сходное
строение, образ жизни, способных к скрещиванию и населяющих определенную
территорию). Близкородственные виды объединяют в род, роды – в семейство, семейства
– в отряд, отряды – в класс, классы – в тип для животных и отделяя для растений, типы – в
подцарство, подцарства – в царство.
Различают пять царств живой природы: вирусы, прокариоты, грибы, растения,
животные.
Царство прокариот. Включает древнейших обитателей планеты, появившихся
около 3 млрд. лет назад, бактерий (в обиходе микробы). Микроскопические
одноклеточные организмы, но лишены оформленного ядра. По форме делятся на кокки,
бациллы, вибрионы, спириллы и др. Большинство гетеротрофны. Размножаются делением
надвое. Изучает микробиология.
Подцарства Количество видов Представители
Настоящие бактерии Возбудители воспаления
легких, туберкулеза,
сальмонеллеза, чумы,
холеры и др. Бродильные
бактерии.
Архебактерии Свыше 40 видов Серобактерии,
метанобразующие
бактерии
Оксифотобактерии Около 2 тыс. видов Цианобактерии
Царство грибы. Обладают признаками растений (всасывание питательных веществ,
неограниченный рост) и животных (гетеротрофы, хитин, гликоген). Основа гриба-
мицелий. Самые древние – 170-190 млн.лет. Шляпочные грибы, наряду с почвенным
мицелием, имеют плодовое тело. Гетеротрофны. Сапрофиты питаются мертвой
органикой, разрушая остатки погибших организмов и образуя перегной. Встречаются
грибы-паразиты. Там, где по отдельности грибы и водоросли по отдельности жить не
могут, встречаются лишайники. В ходе эволюции грибы перешли к наземному образу
жизни и размножению спорами. У грибов впервые возникла многоклеточность. Изучает
микология.
Отделы Количество видов Представители
Настоящие грибы Около 100 тыс. видов Мукор, дрожжи,
шляпочные грибы,
синтезируют атибиотики
Оомицеты Около 70 видов Фитофтора
Лишайники (симбиоз
гриба и водоросли или
цианобактерии)
Ягель, накипные
лишайники
Царство растения. Изучает ботаника. Свыше 350 тыс. видов. Составляют около
95% от биомассы планеты. Основные продуценты органического вещества Земли.
Основные признаки растений:
1. Способность к фотосинтезу.
2. Наличие в клетках пигментов (хлорофилл, каротиноиды).
3. Выделение фитогормонов, регулирующих процессы их жизнедеятельности
(ауксины- ускорители роста).
4. Клетки окружены клеточной стенкой, образованной целлюлозой.
5. Имеют вакуоли, заполненные клеточным соком, который образуется в результате
обмена веществ. Сок обеспечивает тургор.
6. Имеют неограниченный рост.
Отделы Количество видов Представители
Подцарство низшие растения (тело не разделено на органы)
Зеленые водоросли 13 тыс. Хлорелла, хламидомонада
(одноклеточные);
улотрикс, ульвовые,
харовые
Красные водоросли
(багрянки)
4 тыс. В тропических и
субтропических морях.
Филлофора - из нее
получают агар-агар.
Бурые водоросли 1500 Основной источник
органического вещества
прибрежной зоны.
Ламинария.
Подцарство высшие растения (тело разделено на органы: вегетативные - корень, стебель,
листья и репродуктивные – цветки и плоды)
Моховидные Печеночный мох,
сплахнум, сфагнум,
кукушкин лен.
Плауновидные Плаун баранец
Хвощевидные 30 Хвощ лесной
Папоротниковидные Орляк, древовидные,
лиановидные
Голосеменные 700 90% лесов России
представлены
голосеменными: сосна, ель
и т.д.
Покрытосеменные
(цветковые)
250 тыс. Однодольные: лук, чеснок,
пшеница рожь.
Двудольные: капуста,
редька, яблоня,
картофель.
Водоросли – сборная группа низших растений, которые могут быть
одноклеточными, колониальными и многоклеточными. Тело многоклеточных водорослей
не имеет вегетативных органов. Размножаются половым и бесполым путем. Населяют все
водоемы планеты, живут в почве, на поверхности земли и в воздухе.
Мхи – это высшие растения, которые имеют вегетативные органы (стебли, листья) и
многоклеточные органы полового размножения. Оплодотворение возможно только в воде.
Имеют ризоиды – нитевидные выросты, состоящие из одной или нескольких клеток. Мхи
вызывают заболачивание; отмирая, они образуют торф.
Хвощи и плауны имеют стебель, листья и корень. В их жизненном цикле
наблюдается чередование гаметофита (полового поколения) и спорофита. Важнейшее
условие полового размножения – наличие воды.
Папоротники – в их жизненном цикле преобладает спорофит. Распространены во
влажных местах от тропиков до северных широт.
Голосеменные растения имеют семя, которое защищает зародыш от
неблагоприятных воздействий и обеспечивает его питательными веществами на первых
этапах. Оплодотворение не зависит от присутствия воды. Наиболее распространены
представители класса хвойных.
Покрытосеменные (цветковые) – самые распространенные растения на Земле. Для
них характерно наличие цветков и семян, заключенных в плод.
Царство животные. Изучает зоология. Свыше 1,5-2 млн. видов. Основные
признаки животных:
1. Гетеротрофное питание.
2. Отсутствие клеточной стенки.
3. Активное передвижение, наличие специальных органов движения.
4. Обмен веществ в организме выполняется системами органов.
5. В клетках имеются центриоли.
6. Имеют ограниченный рост.
7. Характерна четкая симметрия тела.
Типы Количество видов Представители
Подцарство одноклеточные - свыше 40 тыс. видов
Саркожгутиконосцы Амебы – обыкновенная,
дизентерийная, волвокс
Споровики Малярийный плазмодий
Инфузории (ресничные) Инфузория туфелька
Подцарство многоклеточные
Губки 5 тыс. Пресноводная губка
бодяга
Кишечнополостные 10 тыс. Гидра пресноводная,
медуза, кораллы
Плоские черви 12,5 тыс. Планария, печеночный
сосальщик, бычий цепень
Круглые черви (нематоды) 20 тыс. Почвенная нематода,
власоглав, острица,
аскарида.
Кольчатые черви 9 тыс. Нереида, дождевой червь,
пиявка
Моллюски 130 тыс. Беззубка, устрица, мидия,
морской гребешок,
жемчужница, кальмар,
улитка, каракатица,
осьминог, наутилус
Членистоногие 1, 5 млн. Паукообразные,
ракообразные, насекомые
Иглокожие 6 тыс. Морские звезды, морские
ежи, голотурии
Хордовые 40 тыс. п\т бесчерепные –
ланцетник; п\т личиночно-
хордовые – оболочники;
п\т позвоночные - Рыбы,
земноводные,
пресмыкающиеся, птицы,
млекопитающие
Подцарство одноклеточные. Большинство одноклеточных, или простейших имеют
микроскопические размеры (от 3-4 до 50-150 мкм). В клетке имеются органоиды
специального назначения. В неблагоприятных условиях образуют цисту. Размножение
основном бесполое, но встречается и половой процесс. Среда обитания –пресные
водоемы, моря, почва. Много паразитирующих видов (споровики). Некоторые образуют
колонии (вольвокс).
Подцарство многоклеточные подразделяется на две группы - беспозвоночные и
хордовые. К беспозвоночным относятся двухслойные животные с лучевой симметрией
(губки и кишечнополостные) и трехслойные животные с двусторонней и лучевой
симметрией.
2. Сущность и субстрат жизни. Определение жизни. Основные свойства живых
организмов
Живой компонент биосферы по М.В. Волькенштейну - это живые тела, которые
представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы,
построенные из биополимеров -белков и нуклеиновых кислот.
Жизнь - способ существования живых систем, взаимодействующих с окружающей
средой в процессе исторического и индивидуального развития. Указывается, что жизнь -
это особая, очень сложная форма движения материи. Важные свойства живых систем,
отдельно взятые, встречаются и у материальных объектов неживой природы. Именно
комплекс свойств отражает специфику живых систем.
Свойства живых систем: единство химического состава, обмен веществ,
самовоспроизведение, наследственность изменчивость, рост и развитие, раздражимость,
Экология - наука, изучающая взаимоотношения между организмами и факторами
окружающей среды. Термин «экология» (от греческого oihos - жилище, дом и logos -
наука, знания) был предложен в 1868 году немецким биологом Эрнстом Геккелем (1834-
1919) для обозначения нового научного направления в биологии по изучению законов
взаимодействия биологических систем и окружающей среды. Средой обитания называют совокупность факторов и элементов, воздействующих на
организм в месте его обитания. Экология рассматривает наиболее крупные уровни
организации живого: популяции, сообщества и экосистемы. Популяцией называется
группа организмов одного вида, в достаточной степени изолированная от других групп.
Сообщество – это группа организмов различных видов, проживающих на общей
территории и взаимодейстующих между собой. Экологическая система (биогеоценоз) –
это сообщество организмов с окружающей их абиотической средой (почвой, атмосферой и
т. п.).
Обычно употребляют следующие экологические термины: - биоценоз - сообщество совместно живущих организмов; - биотоп - среда (место) обитания; - фитоценоз - сообщество растений; - зооценоз - сообщество животных; - микробиоценоз - сообщество микроорганизмов; - биота - совокупность всех живых организмов; -биом - совокупность различных групп организмов и среды их обитания в
определенной ландшафтно-географической зоне; - экотоп - место обитания сообщества живых организмов, включающие
совокупность абиотических компонентов среды обитания. В экологическую систему входят абиотические (то есть неживые) и биотические
компоненты. Почву, относящуюся к абиотическим компонентам, нередко рассматривают
как отдельную структурную единицу экосистемы.
Биотопы объединяются в биохоры, а последние – в биоциклы. Так, биотопы
каменистых, глинистых и песчаных пустынь объединяются в биохор пустынь; биохоры
пустынь, лесов и степей объединяются в биоцикл суши. Три биоцикла: суша, море и
внутренние водоѐмы – образуют биосферу.
Одним из важнейших экологических понятий является поток энергии. Энергия
приходит в экологические системы в конечном счѐте от Солнца; при этом автотрофы
используют непосредственно солнечный свет, а гетеротрофы получают от автотрофов уже
преобразованную энергию в виде питательных веществ. За год одним квадратным метром
земной поверхности (и растениями на нѐм) поглощается около 5 · 10 9 Дж тепла. Большая
часть энергии сразу отражается обратно в атмосферу, часть усваивается организмами и
переходит в другие формы. При этом какая-то доля энергии также переизлучается в
атмосферу в виде тепла.
В связи с тем, что живой организм - это открытая биологическая система, факторы
среды могут влиять на организм на любой стадии его развития. К таким экологическим
факторам относятся: абиотические, биотические и антропогенные. Абиотические
факторы - это все влияющие на организм элементы неживой природы (температура, свет,
влажность, радиационный фон, состав воздуха, воды, почвы и другие). Биотические
факторы - сумма воздействий живых организмов. Антропогенные факторы - влияние
Основные абиотические факторы Свет - важнейший абиотический фактор, с которым связана вся жизнь на Земле, так
как служит практически единственным источником энергии. Первоисточником энергии
для экологических систем является Солнце. Энергия распространяется в космосе в виде
электромагнитных волн. Из всего количества энергии, достигающей Земли (10,5 хЮ6
кДж/м2 в год) лишь 1% преобразуется в химическую энергию биомассы в процессе
фотосинтеза. В спектре солнечного света выделяют три биологически неравнозначные
области: ультрафиолетовая (10%)/видимая (45%) и инфракрасная (45%). Ультрафиолетовые лучи губительны для всего живого. Жизнь на поверхности
Земли возможна благодаря озоновому экрану. Озоновый слой задерживает основной
поток этих лучей. Небольшие их количества, достигающие планеты, необходимы для
жизни. Например, под их воздействием синтезируется витамин Д в организме животных и
человека. Видимые лучи имеют наибольшее значение. Энергия видимого света используется
для процессов фотосинтеза в хлоропластах растений. Особенно сильно поглощаются
листьями оранжево-красные (0,66-0,68 мкм) и сине-фиолетовые (0,4-0,5 мкм) лучи.
Большинство животных хорошо различают видимые лучи, с помощью которых они
ориентируются в пространстве. Инфракрасные лучи наиболее богаты тепловой энергией. Они поглощаются тканями
растений и животных, объектами неживой природы. С этими лучами связана
интенсивность физиологических процессов у живых организмов. По отношению к свету выделяют три группы растений. Светолюбивые, растущие на открытых местах в условиях полного солнечного
освещения (тюльпан Биберштейна, зверобой продырявленный, василек луговой). У
светолюбивых растений увеличение освещенности сверх оптимальной подавляет процесс
фотосинтеза. Тенелюбивые растения имеют экологический оптимум в области слабой
освещенности и не выносят прямых солнечных лучей (кислица обыкновенная, копытень). Теневыносливые растения - переносят некоторое затенение, но хорошо
развивающиеся и на прямом солнечном свету (ландыш обыкновенный, ель, сирень). Характер освещения имеет суточную и сезонную периодичность. В связи с этим у
различных видов животных возникла приспособленность к активной жизнедеятельности в
различное время суток. Почти все физиологические процессы у живых организмов имеют
суточный ритм. Реакция животных и растений на продолжительность светового дня и
ночи называется фотопериодизмом. Продолжительность светового дня меняется по
сезонам года, поэтому многие виды животных и растений имеют годовые циклы развития.
Например, длина дня оказывает влияние на половую функцию многих животных: уве-
личение продолжительности светового дня весной стимулирует функции половых желез,
а уменьшение его осенью приводит к затуханию их деятельности. Для существования организмов большое значение имеет температура. У
большинства видов процессы жизнедеятельности протекают в пределах от -4° С до
+40...45° С (температурный предел функционирования белков). Но пределы, в которых
обнаруживается жизнь гораздо шире. Некоторые виды бактерий и водорослей живут в
горячих источниках при температурах +80...+88° С. Диапазон колебаний температур в
разных уголках Земли, где встречается жизнь, достигает 176°С. Но на планете нет ни
одного существа, которое бы в активном состоянии переносило весь температурный
диапазон. В связи с этим у животных и растений существуют различные приспособления
к температурным условиям. Для каждого вида характерна своя оптимальная температура
и крайние пределы выживания. У многих организмов (растений и всех животных, кроме
птиц и млекопитающих) температура зависит от окружающей среды. Их называют
пойкилотермными (от греческого poikilos- разнообразный). Хотя температура
пойкилотермных организмов обусловлена температурой окружающей среды, все же в
процессе эволюции у них выработались некоторые механизмы для регуляции.
Автоматическим закрытием и открытием устьиц растения регулируют процесс
транспирации, тем самым, избегая перегрева. Животные достигают того же испарением
через дыхательные пути и кожные покровы. Наиболее совершенная терморегуляция характерна для высших позвоночных- птиц
и млекопитающих. Это обеспечило им широкое расселение по всем климатическим
поясам. Гомойотермные (от греческого homoios -подобный) животные имеют практически
постоянную температуру тела независимо от температуры среды. У эндотермных
животных терморегуляция осуществляется изменением окислительно-восстановительных
процессов, продуцирующих тепло, а также приспособлениями для охлаждения. У низших
Поддержанию оптимальной температуры способствуют также некоторые поведенческие
реакции животных. Например, птицы совершают длительные перелеты в места с более
теплым климатом (скворцы, ласточки, лебеди), сохраняя для себя привычный
температурный режим. Влажность также является важнейшим абиотическим фактором. Жизнь зародилась
в воде (гипотеза Опарина) и на протяжении большей части своей истории была
представлена водными формами организмов. Завоевав сушу, живые организмы не
перестали зависеть от воды. Вода является составной частью всех существ. Тело
животных, как правило, не менее чем на 50% состоит из воды. Например, человек -64%
воды, медуза - 99%, амбарный долгоносик -46 %. Биохимические процессы в клетке
протекают в жидкой среде. Вода поступает из атмосферы в виде осадков и в природе
происходит непрерывный круговорот воды - гидрологический цикл. По отношению к
влажности различают следующие экологические группы растений: - гидрофиты - растения, обитающие на мелководье (частуха, калужница) - гигрофиты - растения, обитающие в условиях с постоянной влажностью воздуха и
почвы. - мезофиты - растения, обитающие в условиях среднего увлажнения (вероника
дубравная, гусиный лук, лютик едкий) - ксерофиты - растения, обитающие в условиях недостаточного, увлажнения
(кактус, молодило, верблюжья колючка). Для нормального функционирования клеток в организме животного необходимо
стационарное состояние внутриклеточной жидкости. Водные формы получают или
теряют воду путем осмоса через проницаемые участки тела. Устойчивое состояние
водного обмена достигается за счѐт баланса между отдачей воды и еѐ получением. Наземные животные по-разному переносят недостаток воды. Например, грызуны и
черепахи впадают в спячку, куланы и сайгаки совершают миграции. Спячка бывает не
только зимой, но и летом. Особенно это характерно для сусликов. Малый суслик в
полупустынных областях впадает в спячку уже в июле, а жѐлтый суслик в Средней Азии
ещѐ раньше - в июне. Летняя спячка обычно без пробуждения переходит в зимнюю.
Общей причиной этого является высыхание растительности, приводящее к
невозможности получить необходимое для нормального функционирования организма
количество воды. 2. Закономерности взаимодействия организмов и среды обитания.
Ограниченное действие экологических факторов. Закон минимума.
Абиотические факторы действуют совместно и результат воздействия одних
факторов часто зависит от других. Например, в мороз животные погибают при отсутствии
пищи и легче переносят холод, когда пищи достаточно. Жара меньше воздействует на
человека при низкой влажности, чем при высокой. По отношению к любому фактору вид обладает определенным диапазоном
устойчивости, или толерантности. Если фактор выходит за пределы толерантности,
организм погибает. При значениях фактора, близких к пределам толерантности, организм
может существовать лишь непродолжительное время. Примерно в средней части диа-
пазона устойчивости имеются условия наиболее благоприятные для жизнедеятельности,
роста, размножения. Такие условия называют оптимальными или оптимумом. Итак,
оптимум - условия, в которых особи данного вида оказываются наиболее
приспособленными, а пессимум - условия, при которых жизнедеятельность организма
максимально угнетается, не приводя к его гибели.
Схема зависимости между жизнедеятельностью вида и интенсивностью Фактора
среды
В зависимости от ширины диапазона устойчивости к тем или иным факторам
организмы делятся на стенобионтов и эврибионтов. Стенобионт (от греческого stenos-
узкий)- организм, способный обитать в условиях устойчивого постоянства какого - либо
фактора среды или группы взаимодействующих факторов. Эврибионт (от греческого
максимума. Обычно рождаемость ниже максимальной, она соответствует сложившимся
экологическим условиям и поэтому называется экологической. Возрастную структуру
популяции характеризует общее число представленных в ней возрастных групп и
соотношение их численности, или биомассы. Возрастной спектр связан с интенсивностью
смертности организмов. Возрастная структура популяции может изменяться под
действием внешних факторов, так как они контролируют процессы рождаемости и
смертности. По возрастному спектру оцениваются способность популяции к
самоподдержанию и ее устойчивость к внешним воздействиям. Чем сложнее возрастной
спектр, тем устойчивее воспроизводство популяции. Раздел экологии, изучающий внутривидовую организацию, называется
популяционной экологией. Если изучаются популяции человека, то такой раздел науки
называется демографией.
Размеры популяции могут возрастать в результате размножения особей и их
иммиграции из других популяций. Главным показателем скорости размножения является
плодовитость, которая равна среднему количеству потомков одной женской особи за
определѐнный промежуток времени. У млекопитающих плодовитость называется
рождаемостью. Рождаемость человека не очень высока в экономически развитых странах
и примерно вдвое выше в развивающихся странах с недостаточным уровнем контроля за
рождаемостью.
Размеры популяции могут уменьшатся в результате эмиграции и смертности.
Смертность – среднее число смертей в популяции в год (в процентах либо на тысячу
особей). Человеческая смертность самая низкая в развитых странах с высоким уровнем
медицинского обслуживания. Смертность - это показатель, характеризующий скорость
процесса снижения численности популяции.
Материк
Рождаемость (в год
на 1000 чел.)
Смертность (в год
на 1000 чел.)
Европа 14 10
Азия 29 11
Африка 46 17
США и
Канада 16 9
Латинская
Америка 32 9
Австралия 16 7
Рождаемость и смертность человека в различных регионах
Учѐным, исследующим динамику популяций, важно бывает знать не только общую
смертность в популяции, но и количество особей, погибающих до достижения половой
зрелости. Условием стабильности популяции является тот факт, что до половой зрелости
доживают два потомка от каждой пары. Динамику смертности популяции в зависимости
от возраста отображают на кривых выживания. Существуют три основных типа этих
кривых: когда главным фактором смертности является естественное старение особей (на
рисунке эта кривая обозначена буквой А), когда в популяции высока ранняя смертность
(Б) и, наконец, когда смертность постоянна в течении всей жизни организмов (В). Кривые
выживания конкретных видов могут занимать промежуточные положения между этими
крайними формами.
Если рождаемость в изолированной популяции превышает смертность, то популяция
растѐт. В начале роста кривая роста популяции – это экспонента. Однако рано или поздно
питательные запасы в окружающей среде исчерпываются. В одних популяциях
уменьшение количества питательных веществ начинает воздействовать на динамику роста
загодя, и кривая роста приобретает S-образную форму. В других популяциях
бесконтрольный рост численности заходит слишком далеко, после чего происходит
катастрофический «обвал» численности, связанный с истощением ресурсов (J-образная
форма). Рост популяций на первой (экспоненциальной) фазе можно приближѐнно описать
дифференциальным уравнением
где N (t) – количество особей в зависимости от времени, b – рождаемость, d –
смертность, а r = b – d – врождѐнная скорость роста численности популяции.
Дифференциальным уравнением можно описать и S-образную кривую:
Здесь K – это максимальный размер стабильной популяции, которая может
существовать неопределѐнно долго, если не изменятся внешние условия. Заметим, что
дифференциальные уравнения роста – приблизительные уравнения, так как они не
учитывают различия между особями, сезонные колебания количества пищи и способности
к размножению и т. п.
Типы кривой выживания Рождаемость и
смертность в различных странах
K- и r-стратегии популяций
Виды, которые быстро размножаются со скоростью, не зависящей от плотности вида,
называют r-стратегами. Размеры r-популяций не стабилизируются и в течение некоторого
времени могут превышать поддерживающую ѐмкость среды. Как правило, r-стратеги
имеют небольшие размеры и малую продолжительность жизни. Среди них много
микроорганизмов, мелких насекомых и однолетних растений. Обычно r-стратеги быстрее
заселяют новые местообитания, однако через некоторое время их вытесняют более
конкурентноспособные K-стратеги.
K-стратеги размножаются относительно медленно. Скорость их размножения зависит
от плотности популяции. Численность популяций K-стратегов через некоторое время
стабилизируется на определенном значении. Среди K-стратегов обычно встречаются
крупные и долгоживущие виды: деревья, крупные птицы и звери, человек.
Рост численности населения земного шара
Численность популяции может изменяться также в результате изменения внешних
условий среды, например, из-за появления большого количества хищников или нехватки
пищи. Существуют также внутренние факторы, «сдерживающие» рождаемость; наиболее
хорошо изученными из них являются территориальное поведение (защита гнездовой
территории от вторжения особей того же вида) и действие перенаселѐнности,
заключающееся в резком уменьшении плодовитости и уменьшении степени заботы о
потомстве.
Причиной массовых вспышек рождаемости в популяциях являются, как правило,
погодные факторы. В последнее время к числу причин добавилась деятельность человека.
Часто популяции при помощи механизма обратных связей способны регулировать свою
численность с тем, чтобы она не превысила предел, за которым наступит катастрофа. Так,
гусеницы некоторых бабочек массово гибнут, если выходят из яиц до окончания холодов
(когда они погибают от переохлаждения) либо через длительное время после распускания
листьев (тогда они погибают от голода). Если гусеницы появляются вовремя, то
популяции грозит перенаселение; в это время в действие вступает второй лимитирующий
фактор – например, хищники или паразиты. В данном случае действие регулирующего
фактора зависит от плотности популяции.
Ещѐ один часто встречающийся способ регуляции численности популяции –
расселение части популяции за пределы местообитания. Если большое количество особей
переселяется в одном направлении, то это расселение приобретает характер миграции.
2. Понятие экосистем. Совместное действие экологических
факторов. Динамика природных сообществ
Экосистема - это совокупность совместно обитающих разных видов организмов и
условий их существования, находящихся в закономерной взаимосвязи друг с другом.
Термин был введен английским экологом А. Тенсли в 1935 году. В 1986 году Ю.Одум
выделил три группы природных экосистем. В основе подразделения лежат некоторые
общие для них признаки: для наземных - тип растительности, для водных - физические
свойства воды. Выделение в ландшафте экосистем произвольно, так как в природе между ними
четкие границы встречаются очень редко. Ни одна экосистема не существует
изолированно, а только при условии единства и целостности биосферы. Основные типы природных экосистем
Наземные Пресноводные Морские
1.тундра 1. лотические (текущие воды): реки,
ручьи. 1. открытый океан (пеларгическая)
2. тайга
3.
широколиственные
леса
2. прибрежные воды шельфа
2. лентические (стоячие воды): озѐра,
пруды, водохранилища. 4. степи 3. районы апвеллинга
(рыбопродуктивные) 5. пустыни
6. саванны 4. эстуарии (бухты, устья рек, лиманы)
7. тропические
дождевые леса. 3. заболоченные угодья (болота,
болотистые леса) 5. глубоководные рифтовые зоны
3. Природа сообщества и биоценоза. Изменение биоценозов во времени.
Типы и формы сукцессии, климаксы. Стабильность и устойчивость
экосистем.
Термин биогеоценоз был предложен В.Н. Сукачевым в 1944 году. Под
биогеоценозом понимают сообщество растений, животных, микроорганизмов на
определенном участке земной поверхности с его микроклиматом, геологическим
строением, ландшафтом, почвой, водным режимом.
Сообщество - это совокупность взаимодействующих популяций, занимающих
определенную территорию и образующих экологическое единство.
Структура сообщества создается постепенно в течение определенного времени.
Примером модели развития сообщества может служить заселение организмами недавно
образовавшегося вулканического острова. Голую скальную породу могут заселить
водоросли и лишайники. Эти низшие растения образуют пионерное сообщество. Эрозия горной породы в
результате выветривания и жизнедеятельности пионерных растений и накопление
отмерших организмов приводят к образованию слоя почвы. Это в свою очередь
способствует поселению более крупных растений, а именно мхов и папоротников. За
папоротниками последуют семенные растения (травы, кустарники и деревья). Смена
одних видов другими за некоторый период времени называется экологической сукцессией.
Завершающее сообщество - устойчивое, самовозобновляющееся и находящееся в
равновесии со средой, называется климаксным сообществом. Впервые теория сукцессии была разработана Клементсом в 1916 году. Он изучал
сообщества в Северной Америке и пришел к выводу, что основным фактором,
определяющим состав климаксного сообщества, является климат. По представлениям
Клементса, в определенных климатических условиях может существовать только одно
климаксное сообщество, которое называется климаксом. Клементе был сторонником
концепции моноклимакса. Более современной является концепция поликлимакса.
Согласно этой теории климакс формируется под влиянием всех физических факторов,
причем некоторые факторы могут доминировать, например топография, пожары, дренаж. Растительные сообщества характеризуются разделением на ярусы. Ярусы -
горизонтальные слои, толщи, в которых располагаются надземные или подземные части
растений. Ярусность особенно выражена в лесных фитоценозах. В них обычно выделяется
5- 6 ярусов. Первый ярус в лесном сообществе образуют деревья (клен, дуб, ясень, сосна).
Второй ярус составляют низкорослые деревья (яблоня, рябина, клен татарский). Третий
ярус - это подлесок, состоящий из кустарников (шиповник, калина, снежноягодник).
Четвертый ярус - травянистые цветковые растения и кустарнички (малина, герань лесная,
дудник). Под пологом высоких растений поселяются низкорослые теневыносливые и
тенелюбивые виды (кислица, зеленчук желтый, ястребинка волосистая). В самом нижнем,
пятом ярусе - мхи и лишайники. Шестой ярус - это лесная подстилка (опавшие листья, ве-
точки, остатки растений). Подземная ярусность является зеркальным отражением
надземной. Ярусное строение фитоциноза дает растениям возможность более полно
использовать ресурсы среды (свет, воду, минеральные вещества). Конкуренция
разноярусных растений уменьшается, что способствует увеличению видового
разнообразия. Зооценоз связан с фитоценозом и также распределен по ярусам. Например, по типу
гнездования птицы делятся на гнездящихся на поверхности земли, в траве, в дуплах
деревьев, в кронах кустарников и деревьев. В каждом ярусе все живые организмы
взаимосвязаны, и эта связь горизонтального типа внутри биогеоценозов носит название
синузии. Рассмотрение видового состава биогеоценозов позволило выявить среди
населяющих их живых организмов следующие. - Эдификаторы - виды, которые играют роль основоположников сообщества, то
есть, начавшие освоение данной территории и создавшие условия для формирования
трофической цепи. - Доминанты - виды, преобладающие в данном биогеоценозе и имеющие
наибольшую численность и плотность популяции. - Предоминанты - виды, живущие за счет доминантов, включая внутривидовые и
межвидовые отношения (паразитизм, симбиоз, мутуализм) и отношения по пищевым
цепям. Биогеоценозы формируются в процессе эволюции и в результате адаптации
организмов друг к другу и к окружающей среде. Благодаря саморегуляции биогеоценозы
характеризуются относительной устойчивостью.
Своеобразные биогеоценозы развиваются в результате деятельности человека. К их
числу можно отнести агроценозы (искусственные луга, поля, сады), мегаполисы и т. п.
Искусственные биогеоценозы требуют неустанного вмешательства человека для
поддержания их в стабильном состоянии. Значительная часть питательных веществ в них
выносится за пределы экосистемы, и естественный круговорот веществ не
осуществляется. Поэтому в ходе сельскохозяйственных работ необходимо внесение
минеральных удобрений и дополнительных органических веществ (перегной, навоз,
торф).
Агроценоз или агробиоценоз (от греческого agros- поле) - это совокупность
организмов, обитающих на землях сельскохозяйственного пользования, занятых посевами
или посадками культурных растений. В связи с тем, что агроценозы включают в себя
небольшое количество видов, саморегуляция в них осуществляется слабо. Это требует
активной заботы о них со стороны человека. Для борьбы с сорняками и вредителями
применяют химические средства защиты (гербециды, инсектициды). Однако химикаты
влияют не только на сорняки и вредителей, но и на другие растения и животных.
Интенсивная обработка почвы приводит к разрушению ее структуры. В приподных
биогеоценозах отмершие организмы разлагаются на месте, а минеральные и органические
вещества, входящие в их состав, возвращаются в почву. В агроценозах урожай убирается,
это приводит к обеднению почвы. Для обогащения используют удобрения, не безразлич-
ные для окружающей среды. Например, попадая в водоемы, удобрения способствуют
интенсивному развитию синезеленых водорослей, что способствует гибели других
организмов. Для предотвращения нежелательных последствий хозяйственной деятельности
разработан ряд мероприятий: соблюдение севооборотов, выращивание многолетних
кормовых трав, применение безотвальной вспашки, применение биологических методов
борьбы с вредителями и сорняками.
Лекция 11. Человек и биосфера
1. Основные компоненты и структура биосферы. Границы биосферы.
Круговорот веществ в природе. Глобальная экологическая пирамида.
Биогенез.
Биосфера - это глобальная экосистема. В эру научно-технического прогресса особое
значение приобретают знания о жизненных процессах на Земле в целом. Важную роль в
этих процессах играют живые организмы. За миллиарды лет, прошедшие с момента
образования нашей планеты, они наполнили атмосферу кислородом и азотом, очистили еѐ
от углекислого газа, сформировали отложения известняка, нефти, природного газа. В
процессе эволюции на Земле образовалась особая оболочка – биосфера (греч. bios
«жизнь»). Термин «биосфера» ввел австрийский геолог Эдуард Зюсс (1831 - 1914) в 1875
году. Современная концепция биосферы связана с именем академика В.И. Вернадского
(1863- 1945). В основе учения Вернадского лежат представления о планетарной
геохимической роли живого вещества и о самоорганизованности биосферы. Биосфера, по
Вернадскому, – земная оболочка, область существования живого вещества. Она включает
в себя не только живые организмы, но и изменѐнную ими среду обитания (кислород в
атмосфере, горные породы органического происхождения и т.п.).
Биосфера является одной из геологических оболочек Земли или геосфер. На Земле
также различают литосферу – твѐрдую наружную оболочку Земли, состоящую из
осадочных пород и расположенных под ними гранитов и базальтов, гидросферу,
включающую в себя все океаны, моря, озѐра и реки, и атмосферу – газовую оболочку
Земли. В состав биосферы входят верхние слои литосферы, нижний слой атмосферы
(тропосфера) и вся гидросфера, связанные между собой сложными круговоротами
веществ и энергии. Нижний предел жизни на Земле (до глубины 3 км) ограничен высокой
температурой земных недр, верхний предел (20 км) – жѐстким излучением
ультрафиолетовых лучей (всѐ, что находится на высоте ниже 20 км, защищено от
губительного излучения двадцатикилометровым озоновым слоем). Тем не менее, на
границах биосферы можно найти, в основном, лишь микроорганизмы (обычно в виде
спор); наибольшая же концентрация биомассы наблюдается у поверхности суши и океана,
в местах соприкосновения оболочек. Организмы, составляющие биосферу, обладают
поразительной способностью к размножению и распространению по планете.
Геосферы Земли
Совокупная биомасса Земли составляет примерно 2,4 · 1012
т (около 0,01 % массы всей
биосферы). 97 % из этого количества занимают растения, 3 % – животные. В настоящее
время на Земле известно несколько миллионов видов живых организмов.
В учении о биосфере выделяют следующие основные подходы:
- энергетический (связь биосферных явлений с космическим излучением (прежде
всего, излучением Солнца) и радиоактивными процессами в недрах Земли);
- биогеохимический (роль живого в распределении атомов в биосфере);
- информационный (принципы организации и управления в живой природе);
- пространственно-временной (формирование и эволюция различных структур
биосферы);
- ноосферный (глобальные аспекты воздействия человека на окружающую среду).
Биосфера играет важную роль в распределении энергетических потоков на Земле. В
год до Земли доходит около 1024
Дж солнечной энергии; 42 % из неѐ отражается обратно в
космос, а остальное поглощается. Другим источником энергии является тепло земных
недр. 20 % энергии переизлучается в мировое пространство в виде тепла, 10 %
расходуется на испарение воды с поверхности Мирового океана. Зелѐные растения
преобразуют в процессе фотосинтеза около 1022
Дж в год, поглощают 1,7 · 108 т CO2,
выделяют около 11,5 · 107 т кислорода и испаряют 1,6 · 10
13 т воды. Исчезновение
растений привело бы к катастрофическому накоплению углекислоты в атмосфере, и через
сотню лет жизнь на Земле в еѐ нынешних проявлениях погибла бы. Наряду с
фотосинтезом в биосфере происходит почти такое же по масштабам окисление
органических веществ в процессах дыхания и разложения.
В организмах содержатся все известные сегодня химические элементы. Если
некоторые из них (водород, кислород, углерод, азот, фосфор и другие) являются основой
жизни, то другие (рубидий, платина, уран) имеются в организмах в очень малых
количествах. Организмы участвуют в миграции химических элементов как прямо
(выделение кислорода в атмосферу, окисление и восстановление различных веществ в
почвах и гидросфере), так и косвенно (восстановление сульфатов, окисление соединений
железа, марганца и других элементов). Биогенная миграция атомов вызвана тремя
основными процессами: обменом веществ, ростом и размножением организмов.
Огромную роль в биогеохимической активности играет человек, извлекая ежедневно в
ходе добычи полезных ископаемых миллиарды тонн горной породы. Влияние человека на
глобальные геохимические процессы с каждым годом только растѐт.
Биосфера включает в себя: - живое вещество, то есть совокупность всех живых организмов -биомассу; - биогенное вещество, состоящее из органно-минеральных или органических
продуктов, образованных живым веществом (нефть, каменный уголь, торф); - биокосное вещество, созданное живыми организмами вместе с неживой (косной)
природой (атмосферой, водой, горными породами) - почвенный покров. Главный компонент биосферы -это живое вещество, «...на земной поверхности нет
химической силы более постоянно действующей, а потому и более могущественной по
своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом»,- писал В.И.
Вернадский. Все компоненты биосферы взаимодействуют между собой, составляя целостную,
сложно организованную систему. Жизнь, возникшая на Земле, повлияла на геологические
процессы планеты. Постепенно размеры преобразований, осуществляемых живым
веществом, достигли планетарных масштабов. Например, в результате жизнедеятельности
зеленых растений, а именно в результате фотосинтеза, в атмосфере появился кислород.
Новый газовый состав атмосферы дал возможность развитию других организмов. На
современной планете живое вещество представлено организмами разных видов. Самый
многочисленный класс на Земле - это насекомые, их почти 1 миллион видов. Позвоночные
составляют всего 2% видов от всех животных планеты. Живое вещество представлено
организмами различных размеров. Самые крупные - это водные млекопитающие - киты,
из них - синий кит. Отдельные экземпляры достигают в длину до 33 метров, масса их
достигает 150 тонн (это масса 40 слонов!). К высочайшим деревьям относится секвойя
вечнозеленая, высота ее отдельных видов достигает 115 метров.
Живое вещество распределено на планете неравномерно. Несмотря на то, что океан
занимает 70,2% всей поверхности Земли, в океане сосредоточено всего 0,13 % от всего
количества биомассы. В зеленых растениях сосредоточено 99% биомассы и лишь 1%
составляют животные и микроорганизмы. Суммарная биомасса живого вещества
составляет 2,4232x1012
т. Границы биосферы определяются наличием пригодных для организмов
абиотических условий. В.И. Вернадский определил биосферу как термодинамическую
оболочку с температурой от +50°С до - 50°С и давлением около 1 атм. Эти условия
составляют границы жизни для большинства организмов. Верхняя граница биосферы - 22
км над уровнем моря, нижняя граница - 10 км в океане, а в литосфере - до 4-5 км. К биосфере относят, прежде всего, те участки планеты, где есть условия не только
для выживания, но и для размножения живых существ: - достаточное количество в атмосфере кислорода и углекислого газа; - достаточное количество жидкой воды, а не льда или пара; -благоприятные температуры: не слишком высокие, чтобы не свертывался белок, и
не слишком низкие, чтобы нормально работали ферменты; - прожиточный минимум минеральных веществ. Свойства живого вещества в
биосфере: - живое вещество биосферы характеризуется заключенной в нем огромной энергией,
способной производить работу; - высокая скорость протекания биохимических реакций благодаря участию
ферментов; - химические соединения, входящие в состав живого вещества (белки, нуклеиновые
кислоты), устойчивы только в живых организмах; - живое вещество обладает подвижностью; - меняется в процессе эволюции, что позволяет адаптироваться к меняющимся
условиям существования. Функции живого вещества в биосфере:
1) Газовая. Осуществляется зелеными растениями, которые в процессе фотосинтеза
выделяют кислород. Состав атмосферы пополняется также и в результате дыхания всех
живых существ на планете. Газовая функция обуславливает миграцию газов и их превращение, обеспечивая
газовый состав биосферы. 2) Концентрационная функция связана с накоплением в живом веществе химических
элементов (углерода, водорода, азота, кремния, фосфора, хлора, серы, алюминия, железа,
магния). Отдельные виды являются специфическими концентраторами некоторых
элементов: ряд морских водорослей накапливают в своих тканях йод, диатомовые
водоросли, хвощи и злаки - кремний, моллюски и ракообразные - медь. После отмирания
и минерализации живых организмов накопленные вещества переходят в окружающую
среду. 3) Окислительно-восстановительная функция выражается в окислении веществ в
процессе жизнедеятельности организмов. Эти продукты накапливаются в почве и
гидросфере. 4) Деструкционная функция обуславливает процессы, связанные с разложением
организмов после их смерти. 5) Энергетическая функция заключается в осуществлении связи биосферно-
планетарных явлений с космическим излучением, преимущественно с солнечной
радиацией. Фотосинтетическая деятельность зеленых растений лежит в основе этой
функции. В процессе фотосинтеза происходит аккумуляция солнечной энергии и ее
перераспределение по трофическим звеньям. За счет накопленной солнечной энергии
возможна жизнь на Земле.
2. Биосфера и человек. Понятие ноосферы. Последствия антропогенного
воздействия на природу.
Антропогенные факторы воздействия на биосферу. Значительные изменения
биосфера претерпела с момента появления человека. Бурное развитие промышленности,
науки и техники за несколько столетий – геологически ничтожный отрезок времени –
способствовало значительному ускорению миграции атомов. Человек создал тысячи
новых пород и сортов, истребил многие виды диких животных и растений, извлѐк из
земной коры миллиарды тонн полезных ископаемых; в результате его деятельности
образовались новые озѐра – водохранилища – и искусственные реки – каналы, на
огромных площадях природные экосистемы сменились искусственными. Деятельность
человечества, ничтожного по своей биомассе, оказывает влияние на состав земных
океанов и атмосферы. Сейчас уже можно сказать, что человек, овладев громадной
энергией, сам является мощнейшим фактором эволюции биосферы. Владимир Вернадский
предполагал, что человечество должно создать новую оболочку Земли – ноосферу (греч.
noos - «разум»), рассматриваемую в качестве некого мыслящего пласта над биосферой.
Человечество не всегда разумно использовало находящиеся в его распоряжении
ресурсы. Не зная многих закономерностей природы, человек часто не представляет
последствий своей «победы» над природой. Некоторые государства древнего мира
исчезли с лица земли в результате хищнического отношения к природе: истощения почв и
вырубки лесов. Вырубка лесов вызывает иссушение и эрозию почвы, приводит к
увеличению количества наводнений и селевых потоков в горах, сказываются на местном и
глобальном климате.
Деятельность человека приводит к сокращению запасов чистой воды. Промышленные
предприятия сбрасывают сточные воды зачастую без должной очистки, загрязняя
окружающие водоѐмы токсичными химическими соединениями. Гидроэлектростанции и
плотины мешают нормальной миграции речных рыб. Двигатели внутреннего сгорания в
автотранспорте, заводы, тепловые электростанции выделяют в атмосферу вредные
вещества. Появление новых городов и накопление промышленных отвалов уменьшает
площадь лесов и лугов, поддерживающих концентрацию кислорода в атмосфере на
необходимом для жизни уровне. Безответственное использование атомной энергии
приводит к загрязнению окружающей среды радиоактивными веществами, вызывающими
раковые заболевания.
Увеличение численности населения земного шара (в настоящее время на Земле
проживает уже более шести миллиардов человек) может в ближайшее время привести к
обострению продовольственной проблемы. В докладах Римского клуба – международной
организации, занимающейся исследованием глобальных проблем, затрагивающих сами
основы существования человека, – прогнозируется кризис энергетических и пищевых
ресурсов уже в середине XXI века.
Одна из задач биологии – обеспечить человечество питанием. В настоящее время для
этого проводятся разнообразные исследования по увеличению продуктивности
существующих агроценозов, выведению новых пород животных и сортов растений,
использованию морских плантаций в сельском хозяйстве, применению последних
достижений генной инженерии и микробиологии.
Полѐты человека в космос привели к созданию новой отрасли биологии –
космической биологии. Помимо исследования возможной жизни на других планетах и в
открытом космосе перед этой наукой ставится много проблем прикладного характера:
обеспечение человека условиями, необходимыми для жизни в космосе, защита от
радиации, проблема приспособления человеческого организма к невесомости и малой
подвижности. Многие из этих проблем уже решены.
Предупреждая о возможных последствиях расширяющегося вторжения человека в
природу, еще в середине XX века В.И. Вернадский писал: «Человек становится
геологической силой, способной изменить лик Земли». В наше время антропогенное
воздействие становится направляющей силой эволюции экологических систем. Ан-
тропогенное воздействие в основном сводится к четырем формам: 1) изменение структуры земной поверхности (распашка земель, осушение болот,
вырубка лесов, выработка полезных ископаемых); 2) изменение круговоротов и баланса веществ (выбросы вредных веществ в
атмосферу и гидросферу, размещение отходов производства в отвалах, на полигонах); 3) изменение энергетического баланса; 4) изменение состава биоты в результате истребления некоторых видов.
Загрязнение природной среды. Загрязнение - это внесение в среду нехарактерных
для нее физических, химических или биологических агентов или превышения
имеющегося естественного фона.
Десять главных загрязнителей биосферы и их влияние на живые организмы
Загрязнитель Воздействие на окружающую среду и организм человека
Диоксид угле-
рода (углекис-
лый газ)
Образуется при сгорании всех видов топлива. Увеличение содержания в атмосфере
приводит к повышению температуры на Земле. Обусловливает «парниковый
эффект».
Оксид
углерода
(угарный газ)
Образуется при неполном сгорании топлива. Может нарушить тепловой баланс
верхней атмосферы. Уменьшает содержание гемоглобина в крови.
Сернистый газ Побочный продукт химической промышленности, с дымом попадает в атмосферу.
Вызывает обострение респираторных заболеваний. Снижение урожайности в с/х.
Оксиды азота Поглощают свет, образуют фотохимические туманы - смоги. Способствуют
чрезмерному разрастанию водной растительности.
Фосфаты Содержатся в удобрениях. Главный загрязнитель вод.
Радиация Выше допустимых доз приводит к злокачественным новообразованиям и
генетическим мутациям и подавлению скорости ростовых процессов.
Фреоны
(хлорфтормета
н)
Галогены, выделяющиеся из фреонов, могут взаимодействовать с озоном под
воздействием ультрафиолетовых лучей. Это приводит к образованию «озоновых
дыр».
Нефть Нефтяная пленка на воде препятствует газообмену между водой и воздухом, что
приводит к гибели морских животных.
Ртуть Очень токсична. Не выводится из организма животных и человека. Отрицательно
воздействует на нервную систему.
Метан Пропускает солнечный свет, но частично задерживает тепловое излучение,
испускаемое поверхностью Земли, создаѐт «парниковый эффект». За последние сто
лет концентрация метана в атмосфере выросла на 100 %.
Фоновые концентрации данных загрязнителей во многих местах Земли уже
превышены в десятки раз. Так, например, промышленность России выбрасывает в
атмосферу в среднем 19,5 млн тонн загрязняющих веществ в год. На одного жителя РФ
приходится около 342 кг атмосферных выбросов. Экологические проблемы биосферы.
Человечество изменило ход течения целого ряда процессов в биосфере, в том числе
биохимических круговоротов и миграции ряда элементов. Экологи считают, что в
настоящее время (хотя еще медленно) происходит качественная и количественная
перестройка биосферы планеты. В ближайшее время человечеству необходимо решать
следующие глобальные экологические проблемы:
1) Демографический взрыв. Человечество, используя достижения науки и техники,
освободилось от давления лимитирующих факторов. Преобразуя естественную среду,
люди создали условия для роста своей популяции. На протяжении многих тысячелетий
рост численности населения Земного шара происходил достаточно медленно. Начиная с
15 века, темпы роста стали заметно нарастать. В XX веке произошел демографический
взрыв. Численность населения Земли увеличилась в четыре раза и составила 6 миллиардов
человек. Особенно бурный прирост наблюдался в слаборазвитых странах. По прогнозам
ученых, к середине XXI века численность человечества достигнет 10 миллиардов, в то
время как демографическая емкость планеты составляет от 1,5 до 3 миллиардов человек.
Демографическая емкость - это максимальная численность людей, сочетающаяся с
достаточным обеспечением жизненными ресурсами и нормальным качеством среды. 2) «Парниковый эффект» - постепенное потепление климата на нашей планете в
результате увеличения концентрации в атмосфере антропогенных примесей: диоксида
углерода, метана, оксида азота, озона, фреонов. Большинство ученых считают, что из-за
«парникового эффекта» температура на Земле к 2050 году может вырасти на 2-5 градусов.
Такое потепление приведет к повышению уровня мирового океана на 0,5-1,5 м. Ученые
предполагают, что такой подъем уровня воды вызовет затопление 20% территории
Бангладеш, пострадают почти все приморские города Китая. 3) Кислотные дожди, вызываемые главным образом оксидом серы и оксидами азота,
наносят огромный вред лесным биоценозам. Замечено, что от кислотных дождей страдают
в большей степени хвойные породы. От кислотных осадков в различных регионах мира
уже погибли леса, занимавшие площадь около 31 млн. га. Так, на территории Германии
повреждено около 35% площади лесных массивов, а в Канаде погибли старейшие леса из
бальзамической ели (их возраст составлял 300 лет!). От кислотных дождей страдают озера
Земли. Многие озера Швеции, Канады, США полностью утратили признаки жизни. В
озерных экосистемах увеличение кислотности вод (понижение рН) приводит к деградации
не только популяций рыб, но и других гидробионтов. Шведские ученые описали эту
последовательность: при рН= 6,0 гибнут ракообразные, моллюски; при рН =5,9 - лосось,
форель, плотва; при рН = 5,8 насекомые, фито- и зоопланктон; при рН = 5,6 - сиг, хариус;
при рН = 5,1 - окунь, щука; при рН = 4,5 - угорь, голец. При дальнейшем понижении рН
выживают некоторые насекомые и немногочисленные виды планктона. Далее
наблюдается бурное развитие белого мха, а это говорит о том, что данный водоем стал
биологически мертвым. 4) Истощение озонового слоя атмосферы. «Озоновые дыры» представляют собой
значительные пространства в озоновом слое атмосферы на высоте 20 - 25 км с заметно
пониженным (до 50% и более) содержанием озона. В начале 80-х годов XX века было
отмечено значительное уменьшение содержания озона в атмосфере южного полюса
Земного шара. Аналогичные явления отмечены и в Арктике, но размеры «озоновой дыры»
здесь почти в 2 раза меньше антарктической. По наиболее известной в настоящее время
гипотезе и по данным международных экспедиций в Антарктиде предполагается, что
основным фактором, ведущим к образованию «озоновых дыр», является наличие в
атмосфере значительного количества хлорфторуглеродов (фреонов). Загрязнители типа
фреонов катализируют процесс разложения озона, нарушая равновесие между озоном и
кислородом в сторону уменьшения концентрации озона. Истощение озонового слоя в
атмосфере приводит к увеличению потока ультрафиолетовых лучей на земную
поверхность. По данным Всемирной организации здравоохранения, уменьшение
содержания в атмосфере озона на 1% приводит к увеличению кожных раковых
заболеваний у людей на 6%. В настоящее время человечество стоит перед перспективой экологического кризиса.
В.И. Вернадский писал: « В геологической истории биосферы перед человеком
открывается огромное будущее, если он поймет это и не будет употреблять свой разум и
свой труд на самоистребление».
Наша планета уникальна - на ней есть жизнь! Этот мир очень хрупок. Просто
охранять природу от воздействия человека невозможно. Необходимы такие
взаимоотношения человека с окружающим миром, которые можно было бы назвать
научно обоснованным природопользованием. Развитие производства, потребление
энергии, использование природных ресурсов не должны нарушать закономерностей,
существующих в биосфере. Основными принципами рационального природопользования
являются изучение, охрана, освоение и преобразование природной среды. Создание новых
технологий должно сочетаться с экологической экспертизой. Проводимая экспертиза
позволит избежать непредсказуемых последствий для биосферы. 3. Природные ресурсы и их использование. Охрана природы и среды
обитания
В настоящее время во всѐм мире возникла необходимость наладить разумное
использование природных ресурсов. Нужна охрана атмосферы, водных ресурсов, почвы,
живой природы. Во многих государствах уже приняты законы об охране природы;
промышленные, строительные и сельскохозяйственные учреждения обязаны учитывать
баланс природных ресурсов и возможные последствия нарушения равновесия природных
явлений. Созданы так называемые «красные книги» – списки редких и исчезающих видов
животных и растений. Во всѐм мире появилось большое количество экологических
организаций, занимающихся охраной окружающей среды; наиболее известной среди них
является «Greenpeace» («Гринпис»).
Важную роль в охране природы играют заповедники – территории (акватории), на
которых в первозданном, естественном состоянии сохраняется весь их природный
комплекс. На территории заповедников запрещена хозяйственная деятельность, доступ
посторонних людей. В природных национальных парках, в отличие от заповедников,
регулярно проводятся туристические экскурсии. Заповедники и национальные парки
создаются, как правило, в местах с уникальными экологическими системами. В настоящее
время в одной России больше 100 заповедников и национальных парков. Наиболее
известные из них – Баргузинский, Ильменский, Астраханский, Лосиный остров, Кедровая
Падь. Широко известны также Аскания-Нова на Украине, Беловежская Пуща в Беларуси.
Количество национальных парков в мире превысило 1200; среди них Йеллоустонский,