Конспект лекций по "Экологии"

     К сожалению, деятельность человека ведет  к усиленной потере фосфора, что  делает его круговорот менее замкнутым. Хотя человек вылавливает много  морской рыбы, полагают, что в год этим способом на сушу возвращается 60000 т элементарного фосфора. Добывается же на удобрения ежегодно 1-2 млн.т. фосфорсодержащих пород; большая часть этого фосфора смывается и выключается из круговорота.

     Экологи уделяют большое внимание круговороту фосфора, считая, что его важность сильно возрастет в будущем, так как из всех макроэлементов, т.е. элементов, необходимых для всего живого в больших количествах, фосфор - один из самых редких в смысле его относительного обилия в доступных резервуарах на поверхности Земли. 

     Круговорот  второстепенных элементов.

     Второстепенные  элементы, подобно жизненно важным, нередко мигрируют между организмами  и средой, хотя и не представляют какой-либо известной ценности для  организмов. Большинство из них участвуют в общем осадочном цикле, а некоторые поступают в атмосферу. Многие элементы, не относящиеся к биогенным, концентрируются в определенных тканях иногда благодаря химическому сходству с какими-то жизненно важными элементами, хотя такие их концентрации могут оказаться опасными. В настоящее время экологу приходится изучать круговорот целого ряда таких второстепенных элементов (тяжелых металлов, радиоактивных элементов), главным образом потому, что они связаны с деятельностью человека.

     Большинство второстепенных элементов в концентрациях, обычных для многих природных экосистем, почти не оказывает влияния на организмы, возможно потому, что организмы к ним адаптировались. Таким образом, миграции этих элементов мало интересовали бы нас, если бы в окружающую среду не слишком часто попадали побочные продукты горнодобывающей промышленности, различных производств химической промышленности и современного сельского хозяйства, продукты, содержащие высокие концентрации тяжелых металлов, ядовитые органические соединения и другие потенциально опасные вещества. Поэтому в настоящее время важны круговороты почти всех элементов. Даже очень редкий элемент, если он выносится в среду в форме высокотоксичного соединения металла или радиоактивного изотопа, может приобрести важное биологическое значение, так как даже небольшое (с геохимической точки зрения) количество такого вещества способно оказывать выраженный биологический эффект. 

     Круговорот  элементов питания.

     Характер  круговорота элементов питания  в северном умеренном поясе и в тропиках, особенно влажных, различается по ряду важнейших особенностей. В холодных районах большая часть органических веществ и доступных элементов питания все время находится в почве или в отложениях, в тропиках же гораздо больший процент этих веществ содержится в биомассе и циркулирует в пределах органической части экосистемы, чему способствуют различные биологические адаптации, в том числе мутуалистические отношения между микроорганизмами и растениями, удерживающие элементы питания.

     Когда вырубают лес в умеренном поясе, в почве остаются элементы питания, сохраняется ее структура, и с площади, освобожденной от леса, в течение многих лет "обычным" способом можно получать урожай, один или несколько раз в год проводя вспашку, высевая однолетние культуры и внося неорганические удобрения. Зимой низкие температуры способствуют удержанию в почве элементов питания и частично уничтожают вредителей и паразитов. Напротив, во влажных тропиках вырубка леса отнимает у земли способность удерживать элементы питания и поддерживать их циркуляцию, так как здесь круглый год сохраняются высокие температуры и повторяются периоды выщелачивающих дождей. Очень часто продуктивность культур быстро падает, и земля забрасывается.

     Итак, на севере и круговороты элементов  питания, и использование экологических сообществ в большей степени зависят от физических процессов, а на юге - от биологических. Бедная элементами питания тропическая экосистема в естественных условиях способна поддерживать высокую продуктивность благодаря разнообразным механизмам, удерживающим эти элементы и обеспечивающим "прямой круговорот " от растения к растению, в значительной мере минуя почву. Разрушение этих механизмов привозит к снижению продуктивности системы и ее гибели.

     Лекция 13.

     Пути  возвращения веществ в круговорот.

     1. Пути возвращения веществ в  круговорот.

     2. Коэффициент рециркуляции. 

     Пути  возвращения веществ  в круговорот.

     В связи с вышесказанным, полезно  рассмотреть предмет биогеохимии  с точки зрения путей возврата веществ в круговорот, поскольку такая рециркуляция воды и элементов питания - жизненно важный процесс в экосистемах, приобретающий большое значение и для человека. Можно выделить пять основных путей возврата в круговорот:

     1. Через микробное разложение в  детритный комплекс.

     2. Через экскременты животных.

     3. Прямая передача от растения  к растению микроорганизмами-симбионтами.

     4. Физическими процессами, в том  числе прямого действия солнечной  энергии.

     5. За счет энергии топлива, например  при промышленной фиксации азота. 

     Согласно  классическим представлениям основными агентами регенерации элементов питания считались бактерии и грибы; действительно, в почвах умеренной зоны, где процесс регенерации лучше всего изучен, преобладает путь 1. Там, где мелкие растения, например, трава или фитопланктон, активно выедаются животными, важную роль может играть путь возврата через экскременты животных - путь 2. Непосредственный возврат симбиотическими организмами (путь 3) ) особенно важен в алиготрофных системах с низким содержанием элементов питания и характерен, например для тропиков, где около 40% элементов питания сосредоточено в наземной части экосистемы. Вода возвращается в круговорот в результате прямого воздействия солнечной энергии; и в результате процессов выветривания и эрозии, связанных с потоками воды, вниз по течению элементы осадочных пород выносятся из абиотического резервуара и попадают в биотические циклы (путь 4 ). Человек вмешивается в ход циклов, когда он затрачивает энергию топлива на опреснение морской воды, производство удобрений или на получение из отходов различных металлов (путь 5).

     Наконец, следует отметить, что элементы питания  могут высвобождаться из остатков растений и животных и из фекальных комочков даже без участия микроорганизмов, что доказано помещением этих материалов в стерильные условия. Этот способ возврата в круговорот можно назвать автолизом - саморастворением. В водных или влажных местообитаниях, особенно если погибшие растения и животные или неживые частицы малы (т.е. велико отношение их поверхности к объему), еще до начала разложения микроорганизмами может высвободиться от 25 до 75% элементов питания. Автолиз можно считать шестым важным путем возврата, не требующим затрат метаболической энергии.

     Возврат в круговорот - это не "безвозмездная" услуга, на нее почти всегда затачивается энергия. Если источниками энергии для возвращения служат солнечный свет и органическое вещество, то людям не приходится непосредственно затрачивать дорогостоящие виды топлива. Если не нарушать природные механизмы рециркуляции и не отравлять их, то они в основном реализуют возврат в круговорот воды и элементов питания. Повторное же использование промышленных материалов - совсем другое дело, оно требует немалых затрат топлива и денежных средств, но когда запасы этих материалов становятся ограниченными, другого выхода нет. 

     Коэффициент рециркуляции.

     Размеры возврата веществ в круговорот в  разных экосистемах можно сравнить, рассчитывая коэффициент рециркуляции - соотношение суммарных количеств  веществ, циркулирующих между разными блоками экосистемы и общим потоком вещества через всю систему:

      .

     Здесь CI - коэффициент рециркуляции (возврата); TST_c - рециркулируемая доля потока вещества через систему и TST - общий поток вещества через систему. Последняя величина определяется как сумма всех поступлений вещества минус изменение его запасов в системе (если это изменение отрицательно), или как суммарный выход вещества плюс изменение его запасов (если оно положительно). Для расчетов потоков и коэффициентов рециркуляция применяют матричный анализ.

     Коэффициент рециркуляции связан с поступлениями каждого элемента извне, его подвижностью и потребностями в нем биоты. Коэффициент возврата бывает низким (0-10%) либо на ранних стадиях развития экосистемы, либо при изобилии ресурсов, либо в случае несущественных для жизни элементов. СI высок (> 50%) на зрелых стадиях развития экосистемы, при бедности ресурсов и в случае незаменимых для жизни элементов.

     Коэффициент рециркуляции не говорит о ее скорости, т.е. скорости, с которой вещества движутся по кругу. Эта скорость значительно выше в тропическом лесу или в теплом океане, чем в тундре или в холодном озере, но удовлетворительные способы ее количественного измерения пока не разработаны. 

     Повторное использование бумаги.

     Бумага - хороший пример рециркуляции в промышленно-городских системах напоминающий рециркуляцию важных элементов в природных системах. Рециркуляция в естественных экосистемах (коэффициент рециркуляции) возрастает при увеличении разнообразия и усложнении биотических компонентов экосистем, или по мере обеднения ресурсов в среде на входе, или по мера накопления в среде на выходе отходов, опасных для жизни в экосистеме, или в результате взаимодействия этих трех процессов вместе.

     Пока  мы имеем сколько угодно деревьев, бумажных фабрик и неиспользуемой земли для свалки ненужной бумаги, у нас нет стимулов к тому, чтобы затрачивать средства на технику и энергию, необходимые для повторного использования части бумаги, протекающей через город. По мере того, как в пригородах возрастает плотность населения, поднимается стоимость земли, сохранять свалки и места сброса отходов становится все труднее. Среда на входе тоже может оказывать давление, если запасы природной древесины или продукции фабрик неспособны удовлетворить спрос на бумагу. В обоих случаях оказывается "выгодно" подумать о вторичном использовании. Чтобы оно было успешным, должен существовать рынок сбыта для старых газет и картона, например фабрика по переработке макулатуры. Такая фабрика соответствует механизму экономии энергии путем рециркуляции или диссипативной структуре в природной экосистеме. Другими словами, ко всей системе приходится добавлять новое, эмерджентное свойство, если мы хотим, чтобы экономия, основанная на рециркуляции, была эффективной.

     Лекция 14.

     Воздействие среды обитания на биоту.

     1. Факторы среды.

      2. Общие закономерности их действия на живые организмы. 

      Факторы среды. Общие закономерности их действия на живые  организмы.

     Среда обитания - это та часть природы, которая окружает живой организм и с которой он непосредственно взаимодействует. Составные части и свойства среды многообразны и изменчивы. Любое живое существо живет в сложном и меняющемся мире, постоянно приспосабливаясь к нему и регулируя свою жизнедеятельность в соответствии с его изменениями. На нашей планете живые организмы освоили четыре основные среды обитания, сильно различающиеся по специфике условий. Водная среда была первой, в которой возникла и распространилась жизнь. В последующем живые организмы овладели наземно-воздушной средой, создали и заселили почву. Четвертой специфической средой жизни стали сами живые организмы, каждый из которых представляет собой целый мир для населяющих его паразитов или симбионтов.

     Приспособления  организмов к среде носят название адаптаций. Способность к адаптациям - одно из основных свойств жизни вообще, так как обеспечивает самую возможность ее существования, возможность организмов выживать и размножаться. Адаптации проявляются на разных уровнях: от биохимии клеток и поведения отдельных организмов до строения и функционирования  сообществ и экологических систем. Адаптации возникают и изменяются в ходе эволюции видов.

      Отдельные свойства или элементы среды, воздействующие на организмы, называются экологическими факторами. Факторы среды многообразны. Они могут быть необходимы или, наоборот, вредны для живых существ, способствовать или препятствовать выживанию и размножению. Экологические факторы имеют разную природу и специфику действия. Экологические факторы делятся на абиотические и биотические, антропогенные.

      Абиотические факторы - температура, свет, радиоактивное излучение, давление, влажность воздуха, солевой состав воды, ветер, течения, рельеф местности - это все свойства неживой природы, которые прямо или косвенно влияют на живые организмы. 

      Биотические факторы - это формы воздействия живых существ друг на друга. Каждый организм постоянно испытывает на  себе прямое или косвенное влияние других существ, вступает в связь с представителями своего вида и других видов, зависит от них и сам оказывает на них воздействие. Окружающий органический мир - составная часть среды каждого живого существа.