III. Основы экологии

3.1. Определение экологии и ее основных видов

Экология - биологическая наука, изучающая организацию и функционирование надорганизменных систем различных уровней: популяций, видов, биоценозов (сообществ), экосистем, биогеоценозов и биосферы. Слово ''экология'' произошло от греческих слов: oikos - жилище, местопребывание и logos - наука. Этот термин впервые был предложен немецким биологом Эрнстом Геккелем в 1866 году в его работе "Generalle Morphologia".

Часто экологию определяют также как науку о взаимоотношениях организмов между собой и с окружающей средой, а также изучает проблемы взаимодействия человека и биосферы.

Современную экологию подразделяют на аутоэкологию (факторальную) и синэкологию (популяционную экологию и биогеоценологию).

Аутоэкология исследует отношения и взаимодействия со средой обитания особи, популяции или даже вида.

Задача синэкологии - изучение взаимоопределяющих связей разных совместно обитающих организмов друг с другом и с условиями неорганической среды.

3.2. Круговорот веществ, организмов и энергии в природе и их виды

Экосистема состоит из различных живых и неживых компонентов. Неживые, или абиотические, компоненты экосистемы включают различные физические и химические факторы. К важным физическим факторам относятся солнечный свет, тень, испарение, ветер, температура и водные течения. Главными химическими факторами являются питательные элементы и их соединения в атмосфере, гидросфере и земной коре, необходимые в больших или малых количествах для существования, роста и размножения организмов.

Основные типы организмов, которые формируют живые, или биотические, компоненты экосистемы, принято подразделять на продуцентов, консументов и редуцентов. Это разделение базируется на преобладающем способе питания организмов.

Выживание любого конкретного организма зависит от движения материи и энергии через его тело. Однако изначально сообщество живых организмов в экосистеме существует благодаря сочетанию круговорота вещества и однонаправленного движения энергии.

Деструкторы (редуценты) являются завершающим звеном в круговороте веществ. Они очищают природную среду от отходов путем разрушения органических соединений в мертвых организмах и органических остатках и преобразуют их в неорганические питательные вещества, используемые продуцентами. Таким образом, жизненный цикл возобновляется. Без редуцентов весь мир вскоре был бы погружен в слой растительных отходов, тел мертвых животных и мусора. Экосистема может существовать без консументов, так как химические вещества могут переходить напрямую от продуцентов к редуцентам и обратно без участия консументов.

Основу экологической системы, как и биосферы (глобальной экосистемы) в целом составляет круговорот веществ под воздействием энергии. Все живые организмы, населяющие экосистему, выполняют в ней строго определенную функцию: одни (продуценты) перерабатывают и накапливают солнечную энергию в органоминеральных веществах, другие (консументы) потребляют эти вещества и накопленную энергию, а третьи (биоредуценты) обеспечивают минерализацию органического вещества, завершая, таким образом, внутренний круговорот веществ в системе.

В функционирующей природной экосистеме не существует отходов. Все организмы, живые или мертвые, потенциально являются пищей для других организмов: гусеница ест листву, дрозд питается гусеницами, ястреб способен съесть дрозда. Когда растения, гусеница, дрозд и ястреб погибают, они в свою очередь перерабатываются редуцентами.

Движение энергии в экосистемах происходит посредством двух связанных типов пищевых сетей: пастбищной и детритной. В пастбищной пищевой сети живые растения поедаются фитофагами, а сами фитофаги являются пищей для хищников и паразитов. В детритной пищевой сети отходы жизнедеятельности и мертвые организмы разлагаются детритофагами и деструкторами до простых неорганических соединений, которые вновь используются растениями.

Таким образом, для каждой экологической системы свойственны определенные пищевые цепи, но в то же время общий принцип экосистемы состоит в том, что одни организмы служат пищей другим, которые, в свою очередь, служат пищей третьим и т.д.; каждый биотический компонент, играя в экосистеме строго определенную роль, занимает в ней и вполне определенную экологическую нишу.

3.3. Геологический круговорот веществ в биосфере

Все вещества на нашей планете находятся в процессе биогеохимического круговорота. Выделяют два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический). Большой круговорот происходит в течение сотен тысяч лет. Он заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, выветриванию, а продукты выветривания, в том числе растворенные в воде питательные вещества, сносятся потоками воды в Мировой океан. Здесь они образуют морские напластования и лишь частично возвращаются на сушу с осадками, с извлеченными человеком из воды организмами. Крупные медленные геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна, перемещение морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь.

3.4. Биологический круговорот живого вещества в природе

Основу экологической системы, как и биосферы (глобальной экосистемы) в целом составляет круговорот веществ под воздействием энергии. Все живые организмы, населяющие экосистему, выполняют в ней строго определенную функцию: одни (продуценты) перерабатывают и накапливают солнечную энергию в органоминеральных веществах, другие (консументы) потребляют эти вещества и накопленную энергию, а третьи (биоредуценты) обеспечивают минерализацию органического вещества, завершая, таким образом, внутренний круговорот веществ в системе.

Концепция пищевых цепей помогает проследить круговорот химических элементов и потоки энергии в экосистеме, хотя простые пищевые цепи, редко существуют в природе. Лишь небольшое число консументов 1-го порядка питаются одним видом растений, либо поедаются одним типом хищников или консументов 2-го порядка. Кроме того, паразиты используют в качестве пищи несколько различных видов растений и животных из разных трофических уровней.

Это означает, что организмы природных экосистем вовлечены в сложную сеть многих связанных между собой пищевых цепей. Такая сеть называется пищевой сетью. При этом, трофические уровни могут быть определены как в пищевых сетях, так и в пищевых цепях.

Для каждой экологической системы свойственны определенные пищевые цепи, но в то же время общий принцип экосистемы состоит в том, что одни организмы служат пищей другим, которые, в свою очередь, служат пищей третьим и т.д.; каждый биотический компонент, играя в экосистеме строго определенную роль, занимает в ней и вполне определенную экологическую нишу. Изучение трофических (пищевых) уровней позволило количественно охарактеризовать процесс превращения вещества и энергии при переходе с одного уровня на другой. Все экологические системы имеют общий принцип построения и деятельности, все они состоят из живых организмов и физической среды их обитания и находятся во взаимодействии с ней. Это относится как к водным экосистемам, так и к экосистемам суши; это присуще и крупным по размерам, пространственному расположению системам и к самым небольшим (это и биосфера в целом как глобальная зкосистема, и, например, пруд или поляна в лесу).

В ходе геологической истории Земли в биосфере установилось равновесие между экологическими системами и внутри них; сложился непрерывный обмен веществ и энергии как между отдельными составными компонентами внутри экосистем, так и с другими зкосистемами (биогеоценозами).

3.5. Характеристика экосистемы

Одним из важнейших понятий экологии является экологическая система. Это понятие впервые было введено в научный обиход английским ботаником А.Тенсли в 1935 г., который предложил считать экосистемой любую совокупность совместно обитающих организмов и необходимую для их существования абиотическую среду.

Экосистема - это взаимосвязь сообществ с химическими и физическими факторами, создающими неживую окружающую среду. Это вечно меняющаяся (динамичная) сеть биологических, химических и физических взаимодействий, которые поддерживают жизнеспособность сообществ и помогают им приспосабливаться к изменениям условий окружающей среды. Все экосистемы Земли составляют экосферу.

Так как не бывает абсолютно одинаковой пары, экосистемы подразделяются на основные типы, включающие в себя схожие виды организмов. Главные экосистемы суши, такие, как леса, степи и пустыни, называются наземными экосистемами, или биомами. Основные различия между этими экосистемами в разных регионах мира определяются разными соотношениями средней температуры и испарения.

Экосистемы гидросферы называются водными экосистемами. Примерами таких экосистем являются пруды, озера, реки, открытый океан, коралловые рифы, эстуарии (устья рек или заливы океанов, где смешивается соленая и пресная вода), прибрежные и внутренние переувлажненные земли (такие, как болота, марши, степные блюдца, которые временно или постоянно заполнены водой). Главные показатели различия этих экосистем - количество растворенных питательных веществ в воде (соленость), глубина проникновения солнечных лучей, средняя температура воды.

Как большие, так и малые экосистемы обычно не имеют четких границ. Переходная зона между двумя смежными экосистемами называется экотоном. Экотон включает в себя представителей видов растений, животных и деструкторов обеих смежных экосистем, а также нередко такие виды живых организмов, которые не встречаются в данных экосистемах. В результате экотон обладает большим разнообразием организмов, чем близлежащие территории.

Современная наука сформулировала понятие "экологическая система" как закрытую, функционально единую совокупность организмов (растений, животных и микроорганизмов), населяющих общую территорию и способных к длительному существованию при полностью замкнутом круговороте веществ (т. е. при отсутствии материального обмена через ее границы).

Анализ этого понятия позволяет определить существенные свойства экосистемы, которые заключаются в следующем:

1. Замкнутость, самостоятельное функционирование экологической системы. Можно сказать, что, например, капля воды, море, лес или пень в лесу являются экосистемой, поскольку в каждом из этих объектов функционирует устоявшаяся система организмов (инфузорий в капле, рыб и китов в море).

Любое, даже косвенное вмешательство в экосистему оказывает на нее влияние. Так, не рекомендуется ходить по лесу в период вывода дикой фауной птенцов, поскольку вспугнутая наседка впоследствии долго не может возвратиться на гнездо в первоначальное положение, приложиться к высиживаемым яйцам наседочным пятном, а из-за этого некоторые насиженные яйца остывают и зародыш гибнет.

Замкнутость экологических систем обязывает всех граждан и организации учитывать экологические последствия своих действий даже в том случае, если они, казалось бы, не связаны с воздействием на природу. Например, прокладка дороги на открытой местности на первый взгляд не влияет на окружающую природную среду, но при определенных условиях дорога может стать источником экологического бедствия в данной местности, если будет проложена без учета стока паводковых вод, которые, накапливаясь, могут вызвать порчу земель.

2. Взаимосвязи экологических систем друг с другом, создающие природный комплекс. Так, земли, леса, воды и другие природные объекты связывает атмосферный воздух, который функционирует во всех них, способствуя природным функциям природных объектов и изменяясь в результате такого функционирования: из лесов он выходит обогащенный кислородом, а из фауны - углекислым газом.

Эти взаимосвязи требуют при использовании природных объектов комплексного подхода, который в практике природопользования получил название ландшафтного. Например, при отводе земель под пахотные угодья или мелиорацию необходимо учитывать миграционные пути дикой фауны, сохранять нетронутыми отдельные кустарники, болота, перелески для их обитания, т. е. не нарушать сложившийся в данной местности ландшафт.

Ландшафтный подход в использовании природных объектов предполагает обеспечить общий экологический приоритет в природопользовании, в соответствии с которым все виды использования природных объектов должны быть подчинены требованиям экологического благополучия окружающей природной среды.

Понятие ландшафта было определено Л. С. Бергом еще в 40-х годах как своего рода природный организм, в котором части обусловливают целое, а целое влияет на части, и если мы изменим какую-нибудь часть ландшафта, то изменится весь ландшафт. Официально ландшафтом считается территориальная система, состоящая из взаимодействующих природных или антропогенных компонентов и комплексов более низкого таксономического ранга.

Ландшафтный подход в использовании природных объектов предполагает постоянный уход за ландшафтом - систему регулярных мероприятий, направленных на поддержание свойств ландшафта в таком состоянии, при котором успешно выполняются возложенные на него функции.

Разумеется, полной сохранности, нетронутости ландшафта от хозяйственной деятельности не может быть в практике природопользования. Речь идет о недопустимости обеднения природы в данной местности, нарушении ее многообразия, поскольку чем экологическая система многообразнее, тем она устойчивее, и наоборот. Так, пахотная земля становится экологически неустойчивой, так как естественное разнотравье заменяется монокультурой, конкурентные виды растений (сорняки) уничтожаются, как и пищевые цепи (вредители растений). Поэтому при создании агроценоза (преобразованного человеком природного объекта) он должен сочетаться с биоценозом (естественным, непреобразованным), т. е. не должно допускаться нарушения взаимосвязей экологических систем.

3. Биопродуктивность экосистемы - способность ее к выполнению той или иной функции. Так, земли повышенного плодородия должны в первую очередь отводиться для нужд сельском хозяйства и, наоборот, малоплодородные земли - для несельскохозяйственных нужд.

Таким образом, любую экосистему характеризуют, как минимум, три признака замкнутость, взаимосвязь с другими экосистемами и биопродуктивность.

Данные признаки позволяют сформулировать понятие экосистемы следующим образом: экологическая система - это естественная сфера окружающей природной среды, обладающая замкнутой системой взаимосвязей ее составных компонентов, придающих ей устойчивость, взаимосвязанная с другими устойчивыми экологическими системами и имеющая определенную биологическую продуктивность.

3.6. Абиотические факторы и их характеристика

Абиотические факторы- это совокупность условий неорганической среды, каким-либо образом воздействующих на организм и их сообщества. В экологии они рассматриваются как непременные и важные факторы обеспечивающие жизнь и развитие растений, животных и микроорганизмов, они могут влиять на организмы каждый в отдельности, одновременно или взаимодействуя друг с другом. К абиотическим относятся климатические, эдафические, топографические, гидрофизические и гидрохимические факторы.

Избыток или недостаток любого абиотического фактора может повлечь за собой ограничение или остановку роста популяции видов в экосистеме, даже если все другие факторы близки к оптимальному диапазону толерантности для этих видов живых организмов. Примерами лимитирующих факторов наземных экосистем являются температура, вода, свет и почвенные питательные вещества.

Распространение организмов от одной экосистемы к другой и от одной части экосистемы к ее другой части лимитируется различными факторами. Причиной того, что организмы не могут быть распространены повсюду, является то, что виды и отдельные организмы различных видов имеют определенный диапазон толерантности по отношению к колебанию химических и физических факторов окружающей среды, таких, как температура. Например, такое древесное растение, как магнолия, которая погибает при низкой температуре, не может быть обнаружено в северных районах. Вы также не найдете влаголюбивых растений в пустынях.

Диапазон толерантности описывает оптимальную амплитуду колебания факторов, которая обусловливает наиболее полноценное существование и процветание популяции. Этот диапазон также включает значения абиотических факторов, немного отклоняющихся от оптимального уровня, что позволяет выжить меньшей по численности популяции. Когда предел толерантности превышается, выживают лишь несколько организмов конкретных видов или гибнет вся популяция.

Некоторые живые организмы выживают только в узком температурном диапазоне. Например, такие тропические рыбы, как морской ангел (Squatina squatina), погибают, если температура окружающей их воды опустится ниже 16 ^оС. Другие виды рыб могут существовать в более широком диапазоне температур, но не переносят резких температурных скачков. Например, золотистый карась (Carassiw auratus) может жить при температуре около 24 ^оС. Он также выживает в воде, близкой к замерзанию, в случае, если температура понижается постепенно.

Результаты этих наблюдений обобщены в законе толерантности: существование, распространенность и распределение видов живых организмов в экосистеме определяются тем, может ли уровень одного или нескольких физических и химических факторов быть выше или ниже уровней толерантности этих видов.

Отдельные особи большой популяции видов могут иметь несколько различающиеся диапазоны толерантности из-за некоторых различий в генетическом строении. Например, надо поднять немного выше температуру или иметь немного больше яда, чтобы убить данную конкретную лягушку, а не другую. Именно поэтому уровень толерантности отражает реакцию популяции, представленной многими отдельными особями, на изменение одного из факторов окружающей среды, например, температуры.

Обычно изменения диапазона толерантности по отношению к определенным стрессовым факторам связаны с физическими условиями и жизненным циклом особей, составляющих популяцию. Особи, ослабленные болезнями, обычно более подвержены стрессам, чем здоровые организмы. Как правило, уровни толерантности для большинства видов животных намного ниже в юном возрасте (когда защитные силы организма еще недостаточно развиты), чем у взрослых особей.

Многие типы организмов способны менять толерантность к физическим факторам, таким, как температура, если условия будут изменяться постепенно. Например, Вы можете привыкнуть к высокой температуре воды, если залезете в ванну с теплой водой, а потом будете постепенно добавлять все более и более горячую воду.

Такая адаптация к медленному изменению условий, или акклиматизация, является полезным защитным средством, но она может быть и опасной. С каждым следующим изменением организм приближается к предельному уровню толерантности. Наступает так называемый пороговый эффект. Неожиданно, без каких бы то ни было предупреждающих сигналов, следующее, даже небольшое изменение может оказаться критическим. Превышение уровня толерантности способно повлечь за собой болезненную реакцию или даже фатальный исход, так же как, например, добавление соломинки влечет за собой перелом уже перегруженной спины верблюда.

Пороговый (критический) эффект частично объясняет, почему многие проблемы окружающей среды возникают неожиданно, хотя на самом деле они копились долгое время. Например, в каких-то лесах начинается массовая гибель деревьев после длительного воздействия на них многочисленных загрязнителей воздуха. Как правило, мы замечаем возникшую проблему только тогда, когда погибнет весь лес, как это произошло в некоторых районах Европы и Северной Америки. К тому времени мы опоздали на 10-20 лет, чтобы предотвратить трагедию.

Некоторые виды проживают в постоянно изменяющейся окружающей среде, например на территории суши, где происходит смена времен года, или в эстуариях, где изменяются уровни и температура воды. Обычно эти виды приспосабливаются к широкому диапазону физических и химических условий. С другой стороны, живые организмы, проживающие при достаточно постоянных условиях окружающей среды, например во влажных тропических лесах или в глубоких морях, как правило, могут существовать только при узких диапазонах физических и химических условий.

3.7. Экологические факторы и их характеристика

Аутоэкология или факторальная экология исследует совокупность экологических факторов, действующих на изолированную особь, и ответные реакции особи на их действие.

Экологическими факторами называют любые компонеты окружающей среды, прямо или косвенно воздействующие на живые организмы. По своим особенностям экологические факторы весьма разнообразны, имеют различную природу и специфику действия. Они делятся на три группы: абиотические (факторы неживой среды), биотические (связанные с влиянием живых существ) и антропогенные (связанные с деятельностью человека).

Абиотические факторы - это совокупность условий неорганической среды, каким-либо образом воздействующих на организм и их сообщества. В экологии они рассматриваются как непременные и важные факторы обеспечивающие жизнь и развитие растений, животных и микроорганизмов, они могут влиять на организмы каждый в отдельности, одновременно или взаимодействуя друг с другом. К абиотическим относятся климатические, эдафические, топографические, гидрофизические и гидрохимические факторы.

Из климатических факторов основное экологическое значение имеют температура, влажность и свет, при этом наиболее важным является температурный фактор. От его значения зависит интенсивность обмена веществ организмов и их географическое распространение. Любой организм способен жить в пределах определенного интервала температур. При этом интервал оптимальных температур, при которых жизненные функции протекают наиболее активно, сравнительно невелик. Температурные пределы, в которых жизненные процессы протекают нормально, носят название биокинетических температур. Уровень их обусловлен многими факторами и прежде всего зависит от таксономического положения данного вида растения или животного, которое в свою очередь связано с географическим местом происхождения вида, определенными условиями его эволюционного развития.

Из климатических факторов также большое значение имеет лучистая энергия Солнца - основной источник жизни на планете. Солнце непрерывно излучает огромное количество лучистой энергии, мощность которой на верхнем пределе атмосферы составляет от 8,4 до 84 Дж/см² мин (солнечная постоянная). По мере приближения к поверхности Земли значительная часть солнечной энергии задерживается атмосферой и растительностью.

Экологическая эффективность лучистой энергии зависит от длины волны. В зависимости от длины волны, в пределах всего светового спектра, различают видимый свет, ультрафиолетовую и инфракрасную его части.

Ультрафиолетовые лучи оказывают химическое действие на живые организмы, инфракрасные - тепловое. Основную экологическую значимость имеют: фотопериодизм - закономерная смена светлого и темного времени суток; интенсивность освещения (в люксах); напряжение прямой и рассеяной радиации (в джоулях на единицу поверхности и в единицу времени); химическое действие световой энергии.

Значение света - видимой части (0,35 - 0,75 мкм) спектра лучистой энергии, как экологического фактора связано с возможностью фотосинтеза зеленых растений и в конечном счете с созданием органического вещества, растительной биомассы, с суточным ритмом организмов и др.

Такие экологические факторы как ветер, атмосферное давление, смог и др. оказывают также большое влияние на биосферу в совокупности и при совместном воздействии температуры и лучистой энергии.

К эдафическим факторам относится вся совокупность физических и химических свойств почв (структура, химический состав, циркулирующие в почве вещества - газ, воды, органические и минеральные элементы и др.). Эдафическими факторами определяется жизнедеятельность организмов, обитающих в почве постоянно или частично.

К гидрохимическим и гидрофизическим факторам относятся все факторы, связанные с водой. Роль воды как экологического фактора определяется ее физическими и химическими свойствами и подвижностью. Вода - среда обитания разнообразных живых организмов. Тела живых организмов в основном состоят из воды. Так, содержание воды в растениях колеблется от 40 до 98%, в теле животных - от 35 до 83%. Без воды не могут осуществляться процессы обмена веществ. Поддержание водного баланса имеет огромное значение для всех живых организмов. Вода может быть в трех состояниях: парообразном, жидком и твердом и это имеет огромное значение в жизни растений и животных.

Все живые организмы в зависимости от потребности их в воде, а следовательно, и по местообитаниям, подразделяются на ряд экологических групп: водные или гидрофильные (живут постоянно в воде), гигрофильные (живут в очень влажных местообитаниях), мезофильные (отличаются умеренными потребностями в воде) и ксерофильные (живут в сухих местообитаниях). Каждая из перечисленных групп - хороший индикатор господствующих в данной местности экологических условий.

К биотическим факторам относят всю сумму воздействий, которые оказывают друг на друга живые существа - бактерии, растения, животные. Биотическими факторами являются не измененные организмами абиотические условия среды (влажность, температура и др.) и не сами организмы, а взаимоотношения между организмами, прямые воздействия одних из них на другие, т.е. характер биотических факторов определяется формой взаимосвязей и взаимоотношений живых организмов. Эти взаимоотношения чрезвычайно разнообразны. Они могут складываться на основе совместного питания, обитания и размножения.

3.8. Определение популяции. Ее основные признаки

Важное значение для общей экологии имеет популяционная экология. Она изучает условия формирования структуры и динамики естественных группировок особей одного вида - популяции. Популяция (происходит от латинского слова populus - народ) - это группа особей одного вида, объединяемых общей территорией и генофондом. Популяции характеризуются сообществом или биоценозом (происходит от греческих слов bios - жизнь и koinos - вместе). Биоценоз включает все популяции разных видов, взаимодействующие между собой на определенной территории, называемой биотопом. Экологическая система или биогеоценоз, - это биоценоз и неживая среда, которые функционируют совместно.

Популяция - это группа организмов одного вида, проживающих в определенном районе. Примерами популяций являются все окуни в пруду, белки обыкновенные или дубы белые в лесах, население в отдельной стране или население Земли в целом. Популяции - это динамичные группы организмов, адаптирующиеся к изменениям условий окружающей среды путем изменения своих размеров, распределения возрастных групп (возрастной структуры), генетического состава.

Вид - это совокупность популяций особей, представители которых фактически или потенциально скрещиваются друг с другом в естественных условиях. Подсчитано, что в мире существует от трех до 30 млн. видов живых организмов. Некоторые биологи утверждают, что видов более 50 млн., 30 млн. из которых относятся к насекомым. В общей сложности научно описано около 1,7 млн. видов живых организмов, и ежегодно фиксируется еще около 10 000 новых видов.

Каждый организм или популяция имеет свое местообитание: местность или тип местности, где они проживают. Когда несколько популяций различных видов живых организмов живут в одном месте и взаимодействуют друг с другом, они создают так называемое сообщество, или биологическое сообщество. Примерами являются все растения, животные и деструкторы, произрастающие и проживающие в лесу, пруду, пустыне или в аквариуме.

Таким образом, популяция - это пространственная группировка особей определенного вида растительных или животных организмов, занимающих определенную территорию и характеризующаяся генотической и фенотипической специфичностью. У популяций есть генетические характеристики, связанные с их экологией, - способность к адаптации (приспособлению) и устойчивость, т.е. способность в течении длительного времени производить потомство.

Популяции сообщества растений и животных одного вида обладают главными свойствами кибернетических систем - способностью к самоорганизации, саморегулированию и самовоспроизведению (это элементарная форма существования вида).

Популяция обладает многими признаками, которые характеризуют группу как целое, а не отдельные особи в группе. Основные характеристики популяции: плотность, рождаемость, смертность, возрастной состав, характер распределения в пределах территории и тип роста.

При этом одной из важнейших характеристик популяции является плотность популяции, которая определяется как число особей какого-либо вида организмов или количество биомассы, приходящихся на единицу площади или объема (например, 200 деревьев на 1 га леса, 3 млн. водорослей на 1 м³ воды и т.д.). Плотности популяции свойственны колебания, которые определяются зависимостью от экологических факторов среды.

Верхний предел плотности популяции ограничивается потоком энергии в экологической системе (продуктивностью), трофическим уровнем, к которому относится данный организм, величиной и интенсивностью его обмена веществ. Нижний предел определяется уровнем, при котором еще возможно воспроизводство популяции; когда плотность популяции падает ниже критического уровня, популяция исчезает.

Различают плотность популяции среднюю и специфическую (экологическую), они определяются числом особей (размером биомассы) соответственно на единицу всего пространства и на единицу заселенного пространства, т. е. площадь мест обитаний данного вида.

3.9. Характеристика популяционной экологии

Важное значение для общей экологии имеет популяционная экология. Она изучает условия формирования структуры и динамики естественных группировок особей одного вида - популяции. Популяция (происходит от латинского слова populus - народ) - это группа особей одного вида, объединяемых общей территорией и генофондом. Популяции характеризуются сообществом или биоценозом (происходит от греческих слов bios - жизнь и koinos - вместе). Биоценоз включает все популяции разных видов, взаимодействующие между собой на определенной территории, называемой биотопом. Экологическая система или биогеоценоз, - это биоценоз и неживая среда, которые функционируют совместно.

Популяция обладает многими признаками, которые характеризуют группу как целое, а не отдельные особи в группе. Основные характеристики популяции: плотность, рождаемость, смертность, возрастной состав, характер распределения в пределах территории и тип роста.

Верхний предел плотности популяции ограничивается потоком энергии в экологической системе (продуктивностью), трофическим уровнем, к которому относится данный организм, величиной и интенсивностью его обмена веществ. Нижний предел определяется уровнем, при котором еще возможно воспроизводство популяции; когда плотность популяции падает ниже критического уровня, популяция исчезает.

Плотность популяции - очень важный природоохранный критерий, помогающий правильно организовывать охрану животных в резерватах, предотвращать ущерб от их деятельности для природных комплексов, своевременно включать те или иные виды животных в Красные книги.

Популяционная экология рассматривает отдельные особи не изолированно, а в составе популяции таких же особей, относящихся к одному виду. Для вида характерны общность происхождения, сходство облика (фенотипа), единство экологических реакций на внешние воздействия.

Популяционная экология имеет огромное практическое значение. Не зная закономерностей жизнедеятельности популяции, нельзя разрабатывать научно обоснованные мероприятия по рациональному использованию природных богатств. Популяционный подход к анализу природных явлений основан на способности любого вида живого организма регулировать свою численность при воздействии разнообразных абиотических и биотических факторов внешней среды.

3.10. Учение о биогеоценозе

Учение о популяции позволило перейти к изучению более сложных форм существования материи в природе - к биогеоценозам. Исследованием биогеоценозов занимается биогеоценология - наука, изучающая взаимоотношения между особями, относящимися к разным популяциям данной группировки, а также между ними и окружающей средой. В ее задачу входит установление границ экосистемы, анализ существующих в ней пищевых цепей, изучение видового состава, его плотности и др.

Учение о биогеоценозе разработал выдающийся российский ученый В.Н.Сукачев на примере лесных сообществ. Однако открытие В.Н.Сукачевым закономерности взаимодействия и взаимозависимости живых организмов с абиотическими условиями в равной мере приемлемы для любых условий земной поверхности и водных условий. Понятие биогеоценоза введено В.Н.Сукачевым в 1940 году. Оно явилось логическим развитием идей русских ученых В.В.Докучаева, Г.Ф.Морозова, Г.Н.Высоцкого, В.И.Вернадского.

Основные направления и задачи, которые изучает биогеоценология являются следующие: исследование свойств и функций составляющих биогеоценозы компонентов и расшифровка механизма их связей; изучение потоков вещества и энергии в них, изучения преобразования одними компонентами состояний, свойств и работы других; определение их роли в изменении и динамике биогеоценоза; установление реакций компонентов и биогеоценоза в целом на стихийные воздействия и хозяйственную деятельность человека; изучение устойчивости биогеоценозов и ее регуляторных механизмов; исследование взаимосвязей и взаимодействий как между соседними, так и между отдаленными биогеоценозами, обеспечивающими единство биосферы и ее крупных частей.

В каждом биогеоценозе количество обитателей - животных, растений и других организмов или биомассы - неодинаково. Соотношения между структурными подразделениями данного биоценоза в среднем за год более или менее постоянно. Виды, которые имеют наибольшее количество особей или биомассы, являются доминантными. Положение и роль вида в биогеоценозе, его специализацию называют экологической нишей вида. Соотношение между видами, популяциями, числом особей в биогеоценозе по временам года может меняться в зависимости от наличия пищи, от погодных условий и т.д.

Сообщества животных и растений биогеоценоза в зависимости от естественных или антропогенных факторов могут сменяться после лесных пожаров, высыхания болота, вырубки леса, распашки земли, а также в силу естественных закономерностей в природе. Примером может служить периодическая смена породного состава леса: под пологом лиственного леса в средней полосе нашей страны появляется подрост ели и других хвойных пород; по мере отмирания недолговечных осины, березы, ольхи в первый ярус выходят хвойные деревья, образуя качественно новый биогеоценоз; после старения и выпадения деревьев хвойных пород преобладающими вновь становятся лиственные породы со свойственным им животным миром.

Последовательную смену одних сообществ или организмов другими на определенном участке называют сукцессией.

Биогеоценоз различают по продуктивности. Наибольшей первичной продуктивностью обладают биогеоценоз тропических лесов, лесов умеренного климата, саванн, сельскохозяйственных угодий, а наименьшей - пустыни и тундры. Вторичную продуктивность получают от животных и других организмов, существующих за счет растений.

Познание внутренней структуры динамики взаимодействия между составными элементами биогеоценоза, ритмов жизни растительно-животных сообществ позволяет разрабатывать меры для максимального их использования с целью получения наибольшего количества необходимой человеку продукции, а также обеспечить долговечность биотических сообществ, уменьшать отрицательные последствия преобразующей деятельности человека, вплотную подойти к управлению биосферой.

Особенно существенное значение биогеоценология имеет для практики лесного и сельского хозяйства, изучения среды жизни человека на Земле, для космонавтики, защиты промышленных изделий, продуктов питания, кормов от повреждения биологическими компонентами биосферы, для реализации эффективных природоохранных мероприятий.

3.11. Виды цепей питания. Их назначение

Основу экологической системы, как и биосферы (глобальной экосистемы) в целом составляет круговорот веществ под воздействием энергии. Все живые организмы, населяющие экосистему, выполняют в ней строго определенную функцию: одни (продуценты) перерабатывают и накапливают солнечную энергию в органоминеральных веществах, другие (консументы) потребляют эти вещества и накопленную энергию, а третьи (биоредуценты) обеспечивают минерализацию органического вещества, завершая, таким образом, внутренний круговорот веществ в системе.

В функционирующей природной экосистеме не существует отходов. Все организмы, живые или мертвые, потенциально являются пищей для других организмов: гусеница ест листву, дрозд питается гусеницами, ястреб способен съесть дрозда. Когда растения, гусеница, дрозд и ястреб погибают, они в свою очередь перерабатываются редуцентами.

Последовательность организмов, в которой каждый из них съедает или разлагает другой, называется пищевой цепью. Пищевые цепи - это путь однонаправленного потока крохотной части высокоэффективной солнечной энергии, поглощенной в процессе фотосинтеза, через живые организмы экосистемы в окружающую среду в виде низкоэффективной тепловой энергии. Пищевые цепи - это также движение питательных веществ от продуцентов, консументов (травоядных, плотоядных, всеядных) к редуцентам и обратно к продуцентам.

Все организмы, пользующиеся одним типом пищи, принадлежат к одному трофическому уровню (от греческого слова trophos - "питающиеся"). Все продуценты относятся к первому трофическому уровню, все первичные консументы, питающиеся продуцентами, - ко второму трофическому уровню и т.д.

Концепция пищевых цепей помогает проследить круговорот химических элементов и потоки энергии в экосистеме, хотя простые пищевые цепи, редко существуют в природе. Лишь небольшое число фитофагов, или консументов 1-го порядка питаются одним видом растений, либо поедаются одним типом хищников или консументов 2-го порядка. Кроме того, паразиты используют в качестве пищи несколько различных видов растений и животных из разных трофических уровней.

Это означает, что организмы природных экосистем вовлечены в сложную сеть многих связанных между собой пищевых цепей. Такая сеть называется пищевой сетью. При этом, трофические уровни могут быть определены как в пищевых сетях, так и в пищевых цепях.

Таким образом, для каждой экологической системы свойственны определенные пищевые цепи, но в то же время общий принцип экосистемы состоит в том, что одни организмы служат пищей другим, которые, в свою очередь, служат пищей третьим и т.д.; каждый биотический компонент, играя в экосистеме строго определенную роль, занимает в ней и вполне определенную экологическую нишу. Изучение трофических (пищевых) уровней позволило количественно охарактеризовать процесс превращения вещества и энергии при переходе с одного уровня на другой. Все экологические системы имеют общий принцип построения и деятельности, все они состоят из живых организмов и физической среды их обитания и находятся во взаимодействии с ней. Это относится как к водным экосистемам, так и к экосистемам суши; это присуще и крупным по размерам, пространственному расположению системам и к самым небольшим (это и биосфера в целом как глобальная зкосистема, и, например, пруд или поляна в лесу).

3.12. Определение понятий «консументы»,

«продуценты», «биоредуценты»

Пищевые цепи первого типа начинаются с живых растений, которыми питаются травоядные животные. При этом выделяются следующие категории организмов:

1. Продуценты - преимущественно хлорофиллоносные растения. Под влиянием солнечных лучей в процессе фотосинтеза растения (автотрофы) образуют органическое вещество, т.е. накапливают потенциальную энергию, содержащуюся в синтезированных углеводах, белках и жирах растений. В наземных экосистемах основные продуценты - зеленые цветковые растения, в водной среде - микроскопические планктонные водоросли.

2. Консументы - гетеротрофные организмы, потребители органического вещества, созданного автотрофами.

К первичным консументам относят травоядных животных, а также паразитов (животные и растения) зеленых растений. Среди травоядных животных в наземной среде преобладают насекомые, грызуны и копытные, а в водной - мелкие ракообразные и моллюски.

Вторичные консументы питаются травоядными животными, т.е. относятся к плотоядным (или всеядным). Третичные консументы питаются вторичными, т.е. хищниками, поэтому их называют хищниками хищников. Состав вторичных и третичных косументов разнообразен: здесь и хищники, убивающие свою добычу, и паразиты, и трупоеды.

3. Биоредуценты (деструкторы) - организмы, разлагающие органические вещества, преимущественно микроорганизмы (бактерии, дрожжи, грибы-сапрофиты), поселяющиеся в трупах, экскрементах, на отмирающих растениях и разрушающие их.

3.13. Роль пестицидов (положительная и отрицательная)

Наиболее опасном для биосферы и человека загрязнителем являются пестициды. Пестициды - слово латинского происхождения, означает pestis - зараза, разрушение; caedere - убивать. Упоминание о применении пестицидов приводится в литературе XVII столетия, тогда они назывались ядохимикатами. Первоначально пестициды изготовляли из растительного сырья, а затем из неорганических веществ: препаратов меди, мышьяка и ртути. После второй мировой войны началось массовое производство и активное применение новых органических пестицидов.

Пестициды в зависимости от назначения делят на инсектициды (для борьбы с вредными насекомыми), фунгициды (для борьбы с грибами - возбудителями болезней растений), гербициды (для борьбы с сорными растениями) и др.

Пестициды, с одной стороны, способствуют повышению урожайности полезных растений, защищают сады, поля, леса от вредителей и болезней, уничтожают сорную растительность, спасают человека от кровососущих насекомых и переносчиков опасных болезней (малярии, клещевого энцефалита и др.), с другой - разрушают естественные экосистемы, являются причиной гибели многих полезных организмов, отрицательно влияют на здоровье людей.

Пестициды обладают рядом свойств, усиливающих их отрицательное воздействие на окружающую среду. Технология применения способствует их прямому попаданию на объекты окружающей среды, где они находятся до полного распада. Попадая в живой организм, они передаются по цепям питания, долгое время циркулируют во внешней среде, попадая из почвы в воду, из воды в планктон, затем в организм рыбы и человека или из воздуха и почвы в растения, организм травоядных животных и человека.

Объем и количество используемых пестицидов в мире постоянно растет. По мере накопления и распространения по цепям питания в биосфере отрицательное влияние их возрастает. Так, за 25 лет применения было рассеяно около 1,5 млн тонн дихлордифенилтрихлорэтана (ДДТ), который считался безвредным для человека и теплокровных животных. Теперь ДДТ снят с производства во всем мире, но его количество, накопившееся в настоящее время в почве, оценивается в 280 тыс. тонн. Препараты ДДТ почти не разлагаются, происходит их медленное накопление в организмах животных и растений, в почве и водных экосистемах. Накапливаясь в большом количестве, они приобретают высокую токсичность, отрицательно действуют на здоровье людей и животных. ДДТ накапливается в жировой ткани человека, в печени, почках, мозгу, допустимая концентрация составляет до 10 мг/кг.

Во всем мире проводятся научные исследования по поиску эффективных, но менее токсичных пестицидов. Широкое распространение получили пиретроидные инсектициды. Это искусственные аналоги природного инсектицида пиретрина, содержащегося в долматской ромашке. Благоприятный экологический прогноз позволяет рассматривать эти препараты как наиболее совершенные в современном ассортименте инсектицидов. Они используются в малых нормах расхода, обладают длительным защитным эффектом, быстро разлагаются в живых организмах, не имеют мутагенного и эмбриогенного эффекта, малотоксичны для пчел и энтомофагов.

Применение фунгицидов и гербицидов менее опасно, чем инсектицидов, поэтому они находят широкое использование для защиты лесных культур.

3.14. Источники загрязнения и вредные вещества в атмосфере

Газовый состав и свойства атмосферного воздуха в значительной степени зависят от его загрязнения. При этом, загрязнение атмосферы может быть антропогенным, обусловленное выбросами отходов от различных отраслей хозяйственной деятельности человека, и естественным, вызванное природными процессами.

Современное состояние атмосферы характеризуется значительным увеличением содержания вредных веществ, вызванного все возрастающим антропогенным загрязнением атмосферного воздуха в результате хозяйственной деятельности человека, существенным снижением защитных функций озонового слоя от солнечной радиации в связи с его уменьшением, повышением температуры атмосферы, в связи с ростом влияния "парникового эффекта" и рядом других изменений, имеющих значительное влияние на ее состояние и негативные последствия для окружающей среды.

Антропогенные загрязнения отличаются многообразием видов и многочисленностью источников их выброса. Если в начале XX века в промышленности использовалось 19 химических элементов, то в середине века в промышленное производство было вовлечено около 50, а в 70-х годах уже практически все элементы таблицы Менделеева. Это существенно сказалось на составе промышленных выбросов и привело к качественно новому загрязнению атмосферы, в частности аэрозолями тяжелых и редких металлов, синтетическими соединениями, не существующими и не образующимся в природе, радиоактивными, канцерогенными, бактериологическими и другими веществами.

Современное состояние атмосферы, особенно в промышленно развитых регионах в значительной степени зависит от антропогенных воздействий, вызванных вредными выбросами промышленных, энергетических, транспортных, сельскохозяйственных и др. источников. При этом, вредными выбросами могут быть различные газы, аэрозоли и тепло.

Загрязнение воздуха может вызвать изменение метеорологических процессов и климата на достаточно большой площади. При возрастании масштабов и интенсивности загрязнения воздуха некоторыми примесями возникает опасность непреднамеренного воздействия их на атмосферу.

Например, увеличение в атмосфере содержания углекислого газа в результате увеличения количества сжигаемого топлива может вызвать некоторое глобальное повышение температуры атмосферы, что, в свою очередь, должно сказаться на изменении режима ветров, осадков и других метеорологических процессов.

Определенное влияние на климат оказывает увеличение количества аэрозолей в атмосфере в результате снижения солнечной радиации.

Запыленность воздуха увеличивается не только из-за поступления в атмосферу промышленной пыли, но и из-за образования вторичных аэрозолей вследствие превращения газовых выбросов, значительного поступления пыли в результате распашки почв, опустынивания земель под влиянием деятельности человека.

Воздействие атмосферных загрязнений на окружающую среду включает ряд эффектов, влияющих на состояние земной атмосферы и на протекание атмосферных процессов. К числу наиболее распространенных эффектов следует отнести:

1. Уменьшение прозрачности атмосферы и ухудшение видимости.

2. Влияние загрязнения атмосферы на выпадение осадков.

3. Изменение метеорологических условий и климата в глобальном масштабе.

4. Уменьшение толщины озонового слоя.

5. Влияние на растительность.

6. Влияние на экосистемы и животный мир.

7. Ухудшение здоровья населения.

8. Воздействие на вещества, материалы, конструкции, здания, сооружения.

Основными загрязнителями, влияющими на прозрачность атмосферы, являются следующие:

1. Выбросы, содержащие пыль, дым, сажу и другие твердые частицы.

2. SO₂ и другие газообразные соединения серы, которые с высокой скоростью реагируют в атмосфере, образуя частицы сульфата и серной кислоты, находящиеся в виде аэрозоля.

3. NO и NO₂, которые реагируют с образованием нитрата и HNO₃ в виде частиц, входящих в состав аэрозоля; при определенных условиях красно-бурая окраска NO₂ может послужить причиной изменения цвета дымовых выбросов и дымки в городских районах.

4. Фотохимическое загрязнение воздуха (например, образование смога), связанное с образованием в результате фотохимических реакций аэрозолей с частицами субмикронных размеров.

Процессы в атмосфере,приводящие к образованию кислотных дождей, можно разделить на следующие группы:

- образование осадков в облака в результате явлений конденсации и сублимации;

- перенос выбросов ветром к зоне осадков при одновременном смешивании с незагрязненными воздушными массами;

- химические и физические процессы в газовой фазе, приводящие к изменению концентрации первичных соединений и химического состава воздушного потока;

- поглощение веществ антропогенного происхождения облаками и каплями дождя, их химические реакции в жидкой фазе и последующее выпадение загрязнений на поверхности в виде осадков;

- сухое выпадение (адсорбция на почве, кронах деревьев, на поверхности зданий, сооружений и др. объектах).

Наибольшие концентрации примесей отмечаются в городах и промышленных районах, где сосредоточены основные источники загрязнения. Уровень их концентрации в городах на 2-3 порядка выше, чем вдали от производственных и населенных мест.

В городах, где сосредоточено большое число промышленных объектов, происходит наложение их выбросов. Использование самолетов и вертолетов позволило установить, что в крупных городах примеси в основном сосредоточиваются в слое воздуха толщиной 1-2 км, а в небольших городах - несколько сотен метров.

Городской воздух значительно загрязняется при неблагоприятных условиях погоды. Метеорологические факторы влияют также на суточную и годовую приземные концентрации примесей, при этом по-разному проявляется влияние высоты и типа источника. Так, несмотря на то что значительная часть золы и сернистого газа попадает в атмосферу вследствие сжигания топлива, расход которого зимой больше, чем летом, во многих городах наибольшие концентрации этих примесей наблюдаются в теплое время года при интенсивной турбулентности, причем днем концентрация их больше, чем ночью. Суточные колебания концентрации оксида углерода, поступающей от низких источников, проявляются следующим образом: максимальная концентрация наблюдается днем, что обусловлено интенсивным движением автомобилей, но в течение дня она ослабляется и амплитуда колебаний уменьшается - это результат наложения взаимно компенсирующих эффектов изменения количества машин на улицах и метеорологического режима.

Исследования показывают, что значительный рост выбросов в атмосферу и их локализация вблизи источников загрязнения атмосферы привели к тому, что содержание вредных примесей во многих городах мира превышают ПДК в 5-10 раз.

Для анализа степени загрязнения атмосферы используют гигиенические критерии качества воздуха - предельно допустимые концентрации: максимально разовые - ПДК_мр, и среднесуточные - ПДК_сс. Разовые концентрации веществ, полученные при измерении в течение 30 минут, сравнивают с ПДК_мр, средние за месяц и за год концентрации - с ПДК_сс.

3.15. Источники загрязнения водоемов и загрязняющие вещества

На все виды водоснабжения в 90-х годах на Земле в год расходовалось 150 км³ воды, но одновременно сбрасывалось в реки и озера около 450 км³ сточных вод, для обезвреживания которых требовалось более 5500 км³ чистой речной воды, что составляет 1/7 часть мировых ресурсов речного стока. В настоящее время эти показатели существенно изменились в связи ростом численности населения Земли и значительным ростом промышленного и сельскохозяйственного производства в последние годы.

Особенно сильно загрязнен бассейн реки Дунай аммонийным азотом, нефтепродуктами, солями меди и цинка; бассейн реки Днестр - аммонийным и нитритным азотом, нефтепродуктами, фенолами; бассейн реки Дон - нитритным азотом, солями меди, формальдегидом; бассейн реки Иртыш - нефтепродуктами, солями железа; бассейн реки Волги - солями меди; бассейн реки Амур - солями цинка, никеля, хрома.

В бассейне реки Кубань концентрация нефтепродуктов и солей меди превышают ПДК в 5 - 7 раз. В среднем течении реки Волги концентрация фенолов и нефтепродуктов составляют 8-9 ПДК, соединений азота и меди - 3-4 ПДК, в нижнем течении река загрязнена солями меди до 7-15 ПДК.

Особенно опасно антропогенное воздействие различных загрязнений на моря и океаны, которые являются регулятором жизненно важных процессов.

Производственная деятельность человека в морях и океанах с каж каждым годом увеличивается и, естественно, не проходит для них бесследно. В настоящее время они рассматриваются как источник запасов нефти, газа, ряда ценных металлов, железо-марганцевых конкреций, протеина и др. Быстрый рост населения, промышленности и сельскохозяйственного производства, рост морских перевозок, добыча нефти и газа не только в прибрежной, но и шельфовой зоне сопровождается резким увеличением органических и неорганических отходов производства и продуктов потребления, сброс которых вызывает загрязнение морских вод.

Воды Балтийского моря омывают берега десяти государств Европы, которые заключили Конвенцию по защите морской среды. В соответствии с этой Конвенцией разработан комплекс водоохранных мероприятий, направленных на сокращение сброса загрязняющих веществ в бассейн Балтики.

Основные источники загрязнения Баренцева моря- рыбоперерабатывающие предприятия и флот, суда Мурманского морского пароходства, а также предприятия, ведущие добычу нефти и газа.

Основные загрязняющие вещества морей Карского, моря Лаптевых, Восточно-Сибирского и Чукотского: нефть, нефтепродукты, фенолы, тяжелые металлы, источниками поступления которых являются предприятия по разведке и эксплуатации нефтегазовых месторождений, суда морского и речного флота, базы горюче-смазочных материалов, города и поселки арктического побережья, затонувшая древесина, арктические льды и т.д.