Математическое моделирование в экологии

Математическое моделирование в экологии — это средство изучения и прогнозирования природных процессов. Отразить все бесконечное множество связей в популяции или биоценозе нереально. Однако, отбрасывая второстепенные связи в биоценозе, можно выделить главные и получить более или менее верное приближение к действительности.

Этапы построения математической модели:

1) выявление главных компонентов реального биогео­ценоза и их взаимосвязей;

2) разработка математической теории, описывающей изу­чаемые процессы;

3) проверка модели.

Расчетные методы помогают увидеть то, что трудно или невозможно проверить в эксперименте, позволяют воспроиз­вести такие процессы, наблюдение которых в природе потре­бовало бы много сил и больших интервалов времени.

Модели типа хищник-жертва играют большую роль в планировании рыбного хозяйства, китобойного промысла, т. к. изъятие человеком части популяции является аналогом природного хищничества. Важно вовремя заметить симптомы начала нарушения воспроизводства популяции.

Вот пример губительных последствий не до конца продуманного воздействия • человека на биоценоз. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) пыталась бороться с малярией на одном из островов в Индонезии (Калимантан) опрыскивая местность инсектецидом ДЦТ. Кроме комаров переносчиков малярии, ДЦТ съели тараканы. Они крупнее, и поэтому более устойчивы к ДЦТ. Тараканы не погибли, но стали медлительными, и ящерицы поедали их в значительных количествах. Концентрируясь в организмах ящериц, ДДТ вызвал нервные расстройства и ослабление рефлексов, они стали чаще становиться жертвой кошек. Массовое истребление ящериц позволило размножиться гусеницам, которые поедают тростниковые крыши хижин местных жителей — крыши стали проваливаться. Кроме того, началась массовая гибель кошек, отравившихся ДЦТ. Тогда поселки наводнили крысы и, что еще хуже, принесли на себе блох, зараженных чумной палочкой. Люди получили вместо малярии гораздо более страшную болезнь — чуму. Поэтому ВОЗ прекратила опрыскивание и сбросила большую партию кошек на парашютах.

Границы биосферы определяются факторами земной сре­ды, которые делают невозможным существование живых орга­низмов. Верхняя граница проходит примерно на высоте 20 км от поверхности планеты и ограничена слоем озона, который задерживает губительную для жизни коротковолновую часть ультрафиолетового излучения Солнца. Таким образом, живые организмы могут существовать в тропосфере и нижних слоях стратосферы В гидросфере земной коры организмы проникают

на всю глубину Мирового океана — до 10—11 км. В литосфере жизнь встречается на глубине 3,5—7,5 км, что обусловлено температурой земных недр и уровнем проникновения воды в жидком состоянии.

Более всего населена поверхность суши и океана. Вели­чина биомассы для всей планеты оценивается в 3 х 10¹² т, при этом свыше 95% этой величины относится к растениям и менее 5% к животным. Основную часть биомассы растений состав­ляют деревья, поэтому планетарная величина биомассы в значительной мере определяется распространением лесов на континентах.

В биосфере условно выделяют элементарные целостные единицы биогеоценозы — совокупность популяций разных видов, обитающих в определенной местности. Биологический компонент биогеоценоза составляет биоценоз, объединяющий сообщества растительных и животных организмов, населяющих участок биосферы однородными условиями существования (биотоп). Взаимные связи внутри биогеоценоза поддерживаются в процессе круговорота биогенных веществ в цепях питания. Весь круговорот органических веществ и неорганических элементов, осуществляемых живыми организмами, составляет основу биосферы и основное условие поддержания жизни в ней.

Биогеохимические циклы

Это циркуляция химических элементов абиотического происхождения, которые попадают из окружающей среды в организмы и из организмов в окружающую среду. Неорганические элементы вносятся в ткани растений и животных в процессе их роста и развития и входят в состав органических веществ. После смерти организма эти элементы подвергаются сложным реакциям, после чего попадают в новые организмы. К главным циклам относятся биохимические циклы углерода, воды, азота, фосфора и серы.

Круговорот углерода и кислорода,

Углерод высвобождается в процессе дыхания в виде СО₂, а СО₂ затем снова превращается в процессе фотосинтеза в органические соединения. Круговорот кислорода тесно связан с круговоротом углерода.

Круговорот азота.

Атмосфера содержит 79% азота. Это довольно инертный элемент, и поэтому он сравнительно редко встречается в связанном состоянии. Азот — необходимый компонент амино­кислот и белков. Никакой другой элемент так не ограничивает ресурсы питательных веществ в экосистемах, как азот. Он может стать доступным для живых организмов только в связанной форме, т. е. в результате азот-фиксации.

Круговорот серы.

Круговорот серы в природе показан на рис. 16. В земной коре очень много серы, и растения получают ее в основном в виде сульфатов. Сера — необходимый компонент почти всех белков.

Потребности животных в соединениях серы так же, как и в азоте, могут удовлетворяться только за счет растений. На ри-

сунке 16 представлен естественный круговорот серы, однако не следует забывать и о том, что в результате сжигания иско­паемого топлива и плавки серных руд в атмосферу в возрас­тающем количестве поступают окислы серы, например, сер­нистый газ (SO₂). Эти загрязнители атмосферы растворяются в каплях дождя и превращаются в кислоты. Появляется все больше данных о том, что кислотные дожди приводят к далеко идущим экологическим последствиям.

Круговорот фосфора.

Фосфор — необходимый компонент нуклеиновых кислот, белков, АТФ и ряда других жизненно важных органических веществ. Это сравнительно мало распространенный элемент, и, подобно азоту и калию, он часто бывает фактором, лими­тирующим продуктивность экосистем. Круговорот фосфора по­казан на рис. 17; он несложен, так как в природе нет газообразных соединений этого элемента. Значительная часть фосфора рано или поздно попадает в океан и откладывается в осадочных породах.

Круговорот воды.

Источником водорода служит вода (Н₂О), в которой водород химически связан с кислородом. Вода важна не только как источник водорода (при фотосинтезе), но и сама по себе — как составная часть живых клеток, как климатический фактор и как среда для водных организмов. Круговорот воды называется гидрологическим циклом. В этом цикле вода может находится в газообразном, жидком и твердом состоянии.

Функции биомассы в круговороте веществ

1) Газовая: растения при фотосинтезе выделяют О₂, растения и животные при дыхании выделяют СО₂.

2) Концентрационная: накопление живым организмом химических элементов.

3) Окислительно-восстановительная функция: окисление и восстановление веществ живыми организмами.

Превращение энергии в биосфере

Поток солнечной энергии, воспринимаясь молекулами живых клеток преобразуется в энергию химических связей. Химические вещества переходят от одних организмов к другим. При этом живой организм извлекает энергию из пищи, исполь­зуя упорядоченность ее химических связей. Часть энергии теряется на поддержание жизненных процессов, часть 5—20% передается организмам последующих пищевых уровней.

Охрана природы

Охрана природы — совокупность международных, госу­дарственных и региональных мероприятий, направленных на поддержание природы Земли в состоянии, соответствующем эволюционному уровню современной биосферы и ее живого вещества, в том числе человека.

Охрана природы включает в себя:

1) Защиту природной среды от загрязнения — система мероприятий, направленных на устранение отрицательного влияния человека, которое выражается в выбросах промыш­ленными предприятиями ядовитых газов, спуске загрязненной воды, засорении почвы и вод пестицидами, горячими мате­риалами, радиоактивными веществами, в создании интен­сивных шумов и т. д.

2) Создание территорий с особо охраняемыми флорой и фауной:

2а. Заповедники (эталоны) — участки территории суши или акватории со всеми находящимися в их пределах природными объектами, полностью исключенные из всех видов хозяйственного использования. На этих участках естественные ландшафты сохраняются в ненарушенном состоянии. Заповед­ники создаются в местах, типичных или уникальных для данной территории. На территории бывшего СССР более 150 запо­ведников.

26. Заказники — участки территории суши или акватории, где временно запрещается использование отдельных видов природных ресурсов (отдельных видов растений, животных, полезных ископаемых). Чаще всего встречаются заказники для сохранения или воспроизводства промысловых животных.

2в. Национальные парки — территории, исключенные из промышленной и сельскохозяйственной эксплуатации с целью сохранения природных комплексов, имеющие особую эколо­гическую, историческую и эстетическую ценность, а также используемые для отдыха человека.

3) Ведение постоянного контроля за видовым составом и численностью флоры и фауны. Данные о редких исчезающих видах растений и животных, находящихся в опасности, со­ставляют Красную книгу. В 1983 году в СССР туда были вне­сены: 94 вида и подвида млекопитающих, 80 видов птиц, 9 ви-

дов земноводных, 37 видов пресмыкающихся, 9 видов рыб, 250 видов беспозвоночных, 681 вид высших растений, 29 видов лишайников, 26 видов грибов. Международным союзом охраны природы (МСОП) издано 5 томов Красной книги, туда вклю­чены 1182 вида животных и 20 тыс. видов растений.

Черный список — международный список вымерших животных и растений, от которых остались лишь чучела, скелеты, тушки, рисунки, гербарии, находящиеся в музеях. По данным МСОП, с 1600 по 1974 года на Земле исчезли 63 вида млекопитающих, 64 вида птиц, только в Европе — 3 тыс. видов растений. Многие из исчезнувших в природе растений сохра­нились в ботанических садах.

Ноосфера

Понятие о ноосфере (греч. "ноос" — разум, "сфера" — шар) впервые было дано в начале XX века. Ноосфера вначале представлялась как своеобразная "мыслящая" оболочка Земли, которая зародившись в конце третичного периода, развора­чивается над растительным и животным миром — вне биосферы. В. И. Вернадский переосмыслил содержание этого понятия в соответствии со своим учением о биосфере. Ноосфера, по Вернадскому, — биосфера, преобразованная трудом человека и измененная научной мыслью.

Биосфера, как утверждал В. И. Вернадский, должна закономерно перейти в ноосферу, поскольку, познавая законы природы и развивая технику, человечество должно придать ей черты новой, более высокой организованности. При этом человечество становится мощной силой, сравниваемой по воздействию с геологической силой.

Выдержки из статьи В. И. Вернадского "Несколько слов о ноосфере" (1944): "В XX в. впервые в истории Земли человек узнал и охватил всю биосферу... расселился по всей ее поверхности. Человечество своею жизнью стало единым це­лым... благодаря мощной технике и успехам научного мыш­ления, благодаря радио и телевидению человек может мгно­венно говорить в любой точке планеты с кем угодно. Перелеты и перевозки достигли скорости сотен километров в час, и на этом они еще не остановились...

...Все человечество, вместе взятое, представляет нич­тожную массу вещества планеты. Мощь его связана не с его материей, но с его мозгом, с его разумом и направленным этим разумом его трудом. В геологической истории биосферы перед человеком открывается огромное будущее, если он поймет это и не будет употреблять свой разум и свой труд на само­истребление... Человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой. И перед ним, перед его мыслью и трудом, становится вопрос о перестройке биосферы в интересах сободно мыслящего человечества как единого целого. Это новое состояние биосферы, к которому мы, не замечая этого, приближаемся, и есть "ноосфера"..."

Осознав огромную ценность жизни в биосферных рамках, катастрофические последствия ее преобразования, человек должен проникнуться экологическим мышлением и перейти к равноправному сотрудничеству с природой.

Вопросы к "Основам экологии"

1. Какова роль редуцентов в биоценозе?

2. Постройте схему пищевой сети, включив в нее перечисленные организмы: Травы, Кролик, Почвенные грибы, Ягодный кустарник, Волк, Жук-навозник, Растительноядные несекомые, Паук, Воробей, Ястреб.

3. Какова роль ультрафиолетовых, инфракрасных, види­мых участков спектра лучей солнечного света в жизнеде­ятельности растений и животных?

4. В какой геологической эре появились на Земле тепло­кровные животные и каковы причины регресса холодно­кровных?

5. Какие ароморфозы обеспечили теплокровность живот­ных?

6. Коротко- или длиннодневным растением является редис, если в начале и в конце лета он образует корнеплоды, а в середине лета цветет?

7. Какие группы организмов, помимо растений, прини­мают участие в создании первичной продукции экосистемы?

8. Какие приспособления в строении листа снижают испарение в засушливых районах?

9. Почему животные пустынь и полупустынь могут совсем не потреблять воду?

10. Изначальным источником энергии почти во всех эко­системах служит...?

11. В чем отличие превращения вещества и энергии в биогеоценозах?

12. Почему пищевые цепи не могут быть очень длинными?

13. Почему исчезновение растительноядных насекомых из дубрав приведет к экологической катастрофе?

14. Могут ли биоценозы эволюционировать и в какую сторону?

15. Чем обусловлены границы биосферы?

16. Какими факторами обусловлена биогенная миграция атомов?

17. Почему массовая охота на бегемотов на побережье африканских озер снизила уловы рыбы в этих озерах?

18. Почему лес способствует смягчению климата?

19. Назовите вещества, в составе которых находится уг­лерод, вышедший из цикла.

20. Сформулируйте отличия агроценоза от биоценоза.

21.  Можно считать, что волки и львы находятся на одном и том же трофическом уровне, потому что и те и другие:

а) поедают растительноядных животных;

б) используют свою пишу примерно на 10%;

в) живут на суше;

г) имеют крупные размеры;

д) диета их очень разнообразна.

22. Продуктивность кораллового рифа выше продук­тивности большинства районов открытого океана вблизи эк­ватора, потому что коралловый риф получает больше:

а) солнечного света;

б) элементов питания;

в) воды;

г) тепла.

23. Из общего количества энергии, передающегося в пищевой сети с одного трофического уровня на другой, примерно 5—20%:

а) изначально поступает от солнца;

б) расходуется в процессе дыхания;

в) идет на построение новых тканей;

г) превращается в бесполезное тепло;

д) выделяется в экскрементах.

24. Эвтрофикация озера:

а) может ускоряться в результате внесения в озеро чрезмерно больших количеств фосфора;

б) вызывается подавлением "цветения" водорослей;

в) понижает продуктивность озера;

г) никогда не возникает, если люди будут принимать меры, предотвращающие загрязнение озера детергентами и сточными водами и тепловое загрязнение.

25. Самым эффективным воздействием, которое может предпринять индивидуум для улучшения экологических условий существования человека, служит:

а) повторное использование стеклянной тары;

б) активное участие в борьбе за создание законов об охране окружающей среды;

в) езда на велосипеде вместо автомобиля;

г) переход к вегетарианскому питанию.

Использованная литература:

1. Яблоков А. В., Юсуфов А. Г. Эволюционное учение. М.: "Высшая школа", 1989.

2. Общая биология. Учебник для 10-11 классов средней школы. Под редакцией член-корр. АН СССР Ю. И. Полян­ского. М.: "Просвещение", 1991.

3. Общая биология. Учебник для 10-11 классов средней школы. Под редакцией академика АН СССР Д. К. Беляева и профессора А. О. Рувинского. М.: "Просвещение", 1991.

4. Мамонтов С. Г. Биология: М.: "Высшая школа", 1991.

5. Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология. 2т. М.: "Мир", 1990.

6. Кемп П., Арме К. Введение в биологию. М.: "Мир", 1988.

7. Богданова Т. Л. Биология. Задания и упражнения. М.: "Высшая школа", 1991.

8. Ковалев Н. Е., Шевчук Л. Д., Щуренко О. И. Биология; пособие для подготовительных отделений медицинских институтов. М.: "Высшая школа", 1986.

9. Биологический энциклопедический словарь. М.: "Со­ветская энциклопедия", 1989.

10. Слюсарев А. А. Биология с общей генетикой: М.: "Медицина", 1978.

Содержание

Эволюция

Введение                                                              3

Карл Линней                                                        3

Жан Батист Ламарк                                             4

Предпосылки возникновения дарвинизма           5

Дарвинизм                                                           6 Современная теория эволюции. Вид - основной этап

эволюционного процесса               .                 7

Факторы эволюции                                           9

1. Наследственная изменчивость               9

2. Популяционные волны                           11

3. Изоляция                                             12

4. Естественный отбор                            13 Сравнение действия искусственного и естественного отбора                                         18 Приспособленность организмов                        19

Примеры адаптации                                19

Развитие адаптации путем

преадаптаций                                         21

Микроэволюция                                                  22

Макроэволюция                                                   23

Морфологические закономерности

биологической эволюции                                   29

Происхождение жизни на Земле                        30

Развитие жизни на Земле                                  31

Происхождение человека                                   36

Эволюция человека                                           37

Стадии эволюции человека                                     38

Контрольное задание по теме "Эволюция"           42

Экология

Предмет и задачи экологии                                  47

Экологичесике факторы                                       47

1. Абиотические факторы                                  47

1.1. Температура                                     48

1.2. Свет                                                 50

1.3. Вода                                                 52

1.4. Соленость                                         54

1.5. Кислород                                           56

1.6. Магнитное поле Земли                        57

1.7. Почва                                                  58

2. Биотические факторы                                      61

2.1. Симбиоз                                              61

2.2. Антибиоз                                             65

3. Антропогенные факторы                                  71 Комплексное воздействие факторов на организм 75 Биогеоценоз                                                            76

Пищевые цепи                                            80

Биогеоценоз широколиственного леса         83

Смена биогеоценозов                                  83

Агроценозы                                                 88

Математическое моделирование в экологии         88

Основы учения о биосфере                                    90

Биогеохимические циклы                            92

Функции биомассы в

круговороте веществ                                 96

Превращение энергии в биосфере                96

Охрана природы                                                      97

Ноосфера                                                                98

Контрольное задание

по теме "Основы экологии"                                    100

Использованная литература                                    102

Составители: В. В. Евстафьев, О. Г. Машанова Эволюция. Основы экологии

ISBN 5-7611-0030-4

Москва - 1996

Директор издательства Королев Л. Р.

Главный редактор Красников К. Е.

Технические редакторы: Шелковая А. О., Федорова М. Э.

ЛР № 060782 от 26 02.92 В печать 20 01 95 Формат 60x881/16 Печать офсетная Бумага кн.-журн. Печ. л. 8,5 Заказ 3519 Тираж 5000

ЧНУЗ "Московский Лицей¹; Москва, Ярославское шоссе 2, кор 1 Производственно-издательский комбинат ВИНИТИ 140010, Люберцы, Октябрьский пр-кт, 403