Содержание
1. Экологические факторы. Законы воздействияэкологических факторов на живые организмы… 2
2. Круговорот элементов в экосистеме. 6
3. Изменение экосистем при стрессовых воздействиях.Экологические сукцессии 10
4. Задача. 11
Список литературы… 14
1. Экологические факторы. Законывоздействия экологических факторов на живые организмы
Экологические факторы — это отдельные элементы средыобитания, которые воздействуют на организмы. Каждая из сред обитания отличаетсяособенностями воздействия экологических факторов. Экологические факторы делят,на абиотические, биотические и антропогенные.
Абиотические факторы — компоненты неживой природы. К нимотносят:
климатические (свет, температура, влажность, ветер,давление и др.),
геологические (землетрясения, извержения вулканов,движение ледников, радиоактивное излучение и др.),
орографические (рельеф местности),
эдафические, или почвенно-грунтовые (плотность,структура, рН, гранулометрический состав, химический состав и др.),
гидрологические (вода, течение, соленость, давление идр.).
Иначе абиотические факторы делят на физические,химические и эдафические.
Биотические факторы — воздействие живых организмов другна друга (взаимодействие между особями в популяциях и между популяциями всообществах). При этом взаимоотношения могут быть внутривидовыми(взаимодействия между особями одного вида) и межвидовыми (между особями разныхвидов). По типу взаимодействия различают протокооперацию (симбиоз), мутуализм,комменсализм, внутривидовую и межвидовую конкуренции, паразитизм, хищничество,аменсализм, нейтрализм. В зависимости от воздействующего организма биотическиефакторы делят на фитогенные (влияние растений), зоогенные (животных) имикробогенные (микроорганизмов).
Антропогенные факторы — деятельность человека, приводящаялибо к прямому воздействию на живые организмы, либо к изменению среды ихобитания (охота, промысел, сведение лесов, загрязнение, эрозия почв и др.). Приэтом различается воздействие человека как биологического организма и егохозяйственная деятельность (техногенные факторы).
Экологические факторы могут оказывать на организм прямоедействие и косвенное. Косвенное воздействие осуществляется через другиеэкологические факторы. Например, высокая температура может вызвать ожог (прямоедействие), а может привести к обезвоживанию организма (косвенное воздействие).
Разные экологические факторы обладают различнойизменчивостью в пространстве и во времени. Одни из них относительно постоянны(например, сила тяготения, солнечная радиация, соленость океана), другие оченьизменчивы (например, температура и влажность воздуха, сила ветра).
Изменения факторов среды могут быть периодическими инепериодическими. Периодические факторы регулярно повторяются во времени(например, изменение температуры воздуха и освещенности в течение суток илигода). Непериодические факторы не имеют периодичности (например, извержениевулкана, нападение хищника). Периодические факторы делят на первичные ивторичные. Первичные периодические факторы связаны с космическими причинами(освещенность, приливы, отливы и др.). Вторичные периодические факторывозникают как следствие действия первичных факторов (температура, количествоосадков, биомасса, продуктивность и др.).
Экологические факторы оказывают на живые организмыразличные воздействия: ограничивающее, раздражающее, модифицирующее,сигнальное. Ограничивающее воздействие делает невозможным существование вданных условиях. Раздражительное воздействие вызывает биохимические и физиологическиеадаптации. Модификационное воздействие вызывает морфологические и анатомическиеизменения организмов. Сигнальное воздействие информирует об изменениях другихфакторов среды.
В природе экологические факторы действуют совместно, т.е.комплексно. Комплекс факторов, под действием которых осуществляются всеосновные жизненные процессы организмов, включая нормальное развитие иразмножение, называются условиями жизни. Условия, в которых размножения непроисходит, называются условиями существования[1].
Факторы среды имеют количественное выражение. Поотношению к каждому фактору можно выделить зону оптимума (зону нормальнойжизнедеятельности), зону пессимума (зону угнетения) и пределы выносливостиорганизма. Оптимум — такое количество экологического фактора, при котороминтенсивность жизнедеятельности организмов максимальна. В зоне пессимумажизнедеятельность организмов угнетена. За пределами выносливости существованиеорганизма невозможно. Различают нижний и верхний предел выносливости[2].
Способность живых организмов переносить количественныеколебания действия экологического фактора в той или иной степени называетсяэкологической валентностью (толерантностью, устойчивостью, пластичностью).Значения экологического фактора между верхним и нижним пределами выносливостиназывается зоной толерантности. Виды с широкой зоной толерантности называютсяэврибионтными, с узкой — стенобионтными. Организмы, переносящие значительныеколебания температуры, называются эвритермные, а приспособленные к узкомуинтервалу температур — стенотермные. Таким же образом по отношению к давлениюразличают эври- и стенобатные организмы, по отношению к степени засоления среды- эври- и стеногалинные, и т.д.
Экологический фактор, количественное значение котороговыходит за пределы выносливости вида, называется лимитирующий (ограничивающий)фактор. Такой фактор будет ограничивать распространение вида даже в том случае,если все остальные факторы будут благоприятными. Лимитирующие факторыопределяют географический ареал вида. Знание человеком лимитирующих факторовдля того или иного вида организмов позволяет, изменяя условия среды обитания, либоподавлять, либо стимулировать его развитие.
Можно выделить основные закономерности действияэкологических факторов:
1. закон относительности действия экологического фактора— направление и интенсивность действия экологического фактора зависят от того,в каких количествах он берется и в сочетании с какими другими факторамидействует. Не бывает абсолютно полезных или вредных экологических факторов: вседело в количестве. Например, если температура окружающей среды слишком низкаяили слишком высокая, т.е. выходит за пределы выносливости живых организмов, этодля них плохо. Благоприятными являются только оптимальные значения. При этомэкологические факторы нельзя рассматривать в отрыве друг от друга. Например,если организм испытывает дефицит воды, то ему труднее переносить высокуютемпературу;
2. закон относительной заменяемости и абсолютнойнезаменимости экологических факторов — абсолютное отсутствие какого-либо изобязательных условий жизни заменить другими экологическими фактораминевозможно, но недостаток или избыток одних экологических факторов может бытьвозмещен действием других экологических факторов. Например, полное (абсолютное)отсутствие воды нельзя компенсировать другими экологическими факторами. Однакоесли другие экологические факторы находятся в оптимуме, то перенести недостатокводы легче, чем когда и другие факторы находятся в недостатке или избытке[3].
2. Круговорот элементов в экосистеме
Круговорот воды относится к большому геологическому, акруговороты биогенных элементов (углерода, кислорода, азота, фосфора, серы идругих биогенных элементов) — к малому биогеохимическому.
Круговорот воды между сушей и океаном через атмосферуотносится к большому геологическому круговороту. Вода испаряется с поверхностиМирового океана и либо переносится на сушу, где выпадает в виде осадков,которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стока,либо выпадает в виде осадков на поверхность океана. В круговороте воды на Землеежегодно участвует более 500 тыс. км3 воды. Круговорот воды в целом играетосновную роль в формировании природных условий на нашей планете. С учетомтранспирации воды растениями и поглощения ее в биогеохимическом цикле, весьзапас воды на Земле распадается и восстанавливается за 2 млн. лет.
Круговорот углерода. Продуценты улавливают углекислый газиз атмосферы и переводят его в органические вещества, консументы поглощаютуглерод в виде органических веществ с телами продуцентов и консументов низшихпорядков, редуценты минерализуют органические вещества и возвращают углерод ватмосферу в виде углекислого газа. В Мировом океане круговорот углеродаусложнен тем, что часть углерода, содержащегося в мертвых организмах, опускаетсяна дно и накапливается в осадочных породах. Эта часть углерода выключается избиологического круговорота и поступает в геологический круговорот веществ.
Главным резервуаром биологически связанного углеродаявляются леса, они содержат до 500 млрд. т этого элемента, что составляет 2/3его запаса в атмосфере. Вмешательство человека в круговорот углерода (сжиганиеугля, нефти, газа, дегумификация) приводит к возрастанию содержания СО2 ватмосфере и развитию парникового эффекта.
Скорость круговорота СО2, т.е. время, за которое весьуглекислый газ атмосферы проходит через живое вещество, составляет около 300лет.
Круговорот кислорода. Главным образом круговороткислорода происходит между атмосферой и живыми организмами. В основномсвободный кислород (О2) поступает в атмосферу в результате фотосинтеза зеленыхрастений, а потребляется в процессе дыхания животными, растениями имикроорганизмами, и при минерализации органических остатков. Незначительноеколичество кислорода образуется из воды и озона под воздействиемультрафиолетовой радиации. Большое количество кислорода расходуется наокислительные процессы в земной коре, при извержении вулканов и т.д. Основнаядоля кислорода продуцируется растениями суши — почти 3/4, остальная часть —фотосинтезирующими организмами Мирового океана. Скорость круговорота — около 2тыс. лет.
Круговорот азота. Запас азота (N2) в атмосфере огромен(78 % от ее объема). Однако растения поглощать свободный азот не могут, атолько в связанной форме, в основном в виде NН4+ или NО3-. Свободный азот изатмосферы связывают азотфиксирующие бактерии и переводят его в доступныерастениям формы. В растениях азот закрепляется в органическом веществе (вбелках, нуклеиновых кислотах и пр.) и передается по цепям питания. Послеотмирания живых организмов, редуценты минерализуют органические вещества ипревращают их в аммонийные соединения, нитраты, нитриты, а также в свободныйазот, который возвращается в атмосферу.
Нитраты и нитриты хорошо растворимы в воде и могутмигрировать в подземные воды и растения и передаваться по пищевым цепям. Еслиих количество излишне велико, что часто наблюдается при неправильном примененииазотных удобрений, то происходит загрязнение вод и продуктов питания, ивызывает заболевания человека[4].
Круговорот фосфора. Основная масса фосфора содержится вгорных породах, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. Вбиогеохимический круговорот фосфор включается в результате процессов выветриваниягорных пород.
В наземных экосистемах растения извлекают, фосфор изпочвы (в основном в форме РО43-) и включают его в состав органическихсоединений (белков, нуклеиновых кислот, фосфолипидов и др.) или оставляют внеорганической форме. Далее фосфор передается по цепям питания. После отмиранияживых организмов и с их выделениями фосфор возвращается в почву.
При неправильном применении фосфорных удобрений, водной иветровой эрозии почв большие количества фосфора удаляются из почвы. С однойстороны, это приводят к перерасходу фосфорных удобрений и истощению запасовфосфорсодержащих руд (фосфоритов, апатитов и др.). С другой стороны,поступление из почвы в водоемы больших количеств таких биогенных элементов какфосфор, азот, сера и др. вызывает бурное развитие сине-зеленых водорослей идругих; водных растений («цветение» воды) и эвтрофикацию водоемов. Но большаячасть фосфора уносится в море.
В водных экосистемах фосфор усваивается фитопланктоном ипередается по трофической цепи вплоть до морских птиц. Их экскременты (гуано)либо сразу попадают назад в море, либо сначала накапливаются на берегу, а затемвсе равно смываются в море. Из отмирающих морских животных, особенно рыб,фосфор снова попадает в море и в круговорот, но часть скелетов рыб достигаетбольших глубин и заключенный в них фосфор снова попадает в осадочные породы,т.е. выключается из биогеохимического круговорота.
Круговорот серы. Основной резервный фонд серы находится вотложениях и почве, но в отличие от фосфора имеется резервный фонд и в атмосфере.Главная роль в вовлечении серы в биогеохимический круговорот принадлежитмикроорганизмам. Одни из них восстановители, другие—окислители.
В горных породах сера встречается в виде сульфидов (FeS2и др.), в растворах — в форме иона (SО42-), в газообразной фазе в видесероводорода (Н2S) или сернистого газа (SО2). В некоторых организмах серанакапливается в чистом виде (S) и при их отмирании на дне морей образуютсязалежи самородной серы.
По содержанию в морской среде сульфат-ион занимает второеместо после хлора и является основной доступной формой серы, котораяпотребляется автотрофами и включается в состав белков.
В наземных экосистемах сера поступает в растения из почвыв основном в виде сульфатов. В живых организмах сера содержится в белках, ввиде ионов и т.д. После гибели живых организмов часть серы восстанавливается впочве микроорганизмами до Н2S, другая часть окисляется до сульфатов и вновьвключается в круговорот. Образовавшийся сероводород улетучивается в атмосферу,там окисляется и возвращается в почву с осадками.
Сжигание человеком ископаемого топлива (особенно угля), атакже выбросы химической промышленности, приводят к накоплению в атмосфересернистого газа (SО2), который, реагируя с парами воды, выпадает на землю ввиде кислотных дождей.
Биогеохимические циклы, не столь масштабны какгеологические и в значительно степени подвержены влиянию человека.Хозяйственная деятельность нарушает их замкнутость, они становятся ацикличными[5].
3. Изменение экосистем пристрессовых воздействиях. Экологические сукцессии
Изменения в сообществах могут быть циклическими ипоступательными.
Циклические изменения — периодические изменения вбиоценозе (суточные, сезонные, многолетние), при которых биоценоз возвращаетсяк исходному состоянию.
Суточные циклы связаны с изменением освещенности,температуры, влажности и других экологических факторов в течение суток инаиболее резко выражены в условиях континентального климата. Суточные ритмыпроявляется в изменении состояния и активности живых организмов.
Сезонная цикличность связана с изменением экологическихфакторов в течение года и наиболее сильно выражена в высоких широтах, где великконтраст зимы и лета. Сезонная изменчивость проявляется не только в изменениисостояния и активности, но и количественного соотношения отдельных видов. Наопределенный период многие виды выключаются из жизни сообщества, впадая вспячку, оцепенение, перекочевывая или улетая в другие районы.
Многолетняя изменчивость связана с флуктуациями климатаили другими внешними факторами (степень разлива рек), либо с внутреннимипричинами (особенности жизненного цикла растений — эдификаторов, повторениямассового размножения животных).
Поступательные изменения — изменения в биоценозе, вконечном счете, приводящие к смене этого сообщества другим. Сукцессия —последовательная смена биоценозов (экосистем), выраженная в изменении видовогосостава и структуры сообщества. Последовательный ряд сменяющих друг друга всукцессии сообществ называется сукцессионной серией. К сукцессиям относятсяопустынивание степей, зарастание озер и образование болот и др.
В зависимости от причин вызвавших смену биоценоза,сукцессии делят на природные и антропогенные, аутогенные и аллогенные.
Природные сукцессии происходят под действием естественныхпричин, не связанных с деятельностью человека. Антропогенные сукцессииобусловлены деятельностью человека.
Аутогенные сукцессии (самопорождающиеся) возникаютвследствие внутренних причин (изменения среды под действием сообщества).Аллогенные сукцессии (порожденные извне) вызваны внешними причинами (например,изменение климата).
В зависимости от первоначального состояния субстрата, накотором развивается сукцессия, различают первичные и вторичные сукцессии.Первичные сукцессии развиваются на субстрате, не занятом живыми организмами (наскалах, обрывах, сыпучих песках, в новых водоемах и т.п.). Вторичные сукцессиипроисходят на месте уже существующих биоценозов после их нарушения (в результатевырубки, пожара, вспашки, извержения вулкана и т.п.).
В своем развитии экосистема стремится к устойчивомусостоянию. Сукцессионные изменения происходят до тех пор, пока не сформируетсястабильная экосистема, производящая максимальную биомассу на единицуэнергетического потока. Сообщество, находящееся в равновесии с окружающейсредой, называется климаксным.
4. Задача
Определить выброс загрязняющих веществ за годавтомобильным транспортом. Принимается следующая схема работы автотранспорта втечение рабочего дня: запуск и прогрев двигателя → холостой ход →пробег → холостой ход при возвращении на стоянку.
Исходные данные: N — количество автомобилей, шт.; ТД —тип двигателей (К — карбюраторные, Д — дизельные); L, — суточный пробегавтомобилей, км; Т1, Т2 — соответственно, продолжительность холодного и теплогопериода года, да.; Т3, и Т4 — соответственно, время прогрева двигателя и работыавтомобиля на холостом ходу, мин.N 24 ТД Д L 115 Т1 145 Т2 220 Т3 15 Т4 10
Решение задачи:
Рассчитать выброс i-го вещества автомобилем за одинрабочий день отдельно для теплого и холодного периода года, г/день:
Мi = m1Т3 + 2(m2Т4) + m3L = 14,89*15 + 2(3,24*10) +27,9*115= 3496,65г
где m1, m2 и m3 – удельные выбросы загрязняющих веществ,г/мин. и г/км.
Выброс всеми автомобилями
М = N Мi = 25 * 3496,65 = 87416,25
Следовательно, для холодного периода:
Тi1 = М Т1 = 87,416 * 145 = 12675
для теплого периода:
Тi2 = М Т2 = 87,416 * 220 = 19231
За год выброс = М (год) = Т1 + Т2 = 12675+19231=31906
Список литературы
1. Акимова Т.А., Хаскин В.В. Экология: Учебник для вузов. — М.: ЮНИТИ-ДАНА,2001.
2. Колесников С.И. Экология. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2003.
3. Коробкин В. И., Передельский Л. В. Экология. — Ростов-на-Дону: Феникс,2003.
4. Никаноров А.И., Хоружай Т.А. Глобальная экология: Учебное пособие. — М.:ПРИОР, 2000.
5. Общая экология: Учебник для вузов. / Автор-составитель А.С.Степановских. — М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2000.