Природные условия, влияющие на живые организмы
Живые организмы (включая человека) не могут жить изолировано от окружающей природной среды. Компонентами внешней среды, влияющими на жизнедеятельность организмов, являются вода, воздух, почва, продукты питания, природные условия, люди и животные, результаты деятельности человека и др. Некоторые компоненты являются экологическими фактора-ми для конкретной группы организмов.
Экологические факторы - это те внешние воздействия ОС, кото-рые вызывают ответную реакцию организма, вплоть до полного исчез-новения (гибели) вида.
Безразличные для одной группы организмов внешние воздействия мо-гут оказаться экологическими факторами для других организмов. В качестве примера можно рассмотреть содержание в воздухе серного ангидрида (SО2). В результате взаимодействия с парами воды в воздухе он создает условия для формирования «кислотных дождей». Подкисление водных экосистем вызы-вает ответную реакцию живых водных организмов (вплоть до их гибели). Т.е. SО2 - это экологический фактор для водных обитателей. В то же время на человека как на организм кислотный дождь практически не действует. Однако в недалеком будущем он может сказаться на снижении запасов рас-тительной и животной пищи, тогда он станет экологическим фактором и для человека.
Основные граничные параметры природной среды, в которой может жить человек:
Температура от -50 до + 60 град. С Подвижность воздуха 0 – 100 м/с Относительная влажность 10 – 100 % Атмосферное давление 680 – 810 мм рт. ст.
Экологический фактор называется ведущим, если его изменение вызы-вает смену биоценозов (экологических сообществ). Так ведущим фактором является температура, изменение которой приводит к смене природных зон: от тропической до полярной.
Для разных организмов количественные пределы фактора, при кото-ром, но угнетен, называется пессиум. Наиболее благоприятное значение фак-тора называют оптимумом.
Благоприятный диапазон действия экологического фактора называется зоной оптимума (нормальной жизнедеятельности). Чем значительнее от-клонение действия фактора от оптимума, тем больше данный фактор угнета-ет жизнедеятельность популяции. Этот диапазон называется зоной угнете-ния (пессиум). Максимально и минимально переносимые значения фактора -это критические точки, за пределами которых существование организма или популяции уже невозможно. Если изменения фактора превысит минимум или максимум для организмов, то наступает массовая гибель.
Несмотря на многообразие экологических факторов и различную при-роду их происхождения, существуют некоторые общие правила и закономер-ности их воздействия на живые организмы
Для жизни организмов необходимо определенное сочетание условий. Если все условия среды обитания благоприятны, за исключением одного, то именно это условие становится решающим для жизни рассматриваемого ор-ганизма. Оно ограничивает (лимитирует) развитие организма, поэтому назы-вается лимитирующим фактором. Первоначально было установлено, что развитие живых организмов ограничивает недостаток какого-либо компонен-та, например, минеральных солей, влаги, света и т.п. В середине XIX века немецкий химикорганик Юстас Либих первым экспериментально доказал, что рост растения зависит от того элемента питания, который присутствует в относительно минимальном количестве. Он назвал это явление законом ми-нимума; в честь автора его еще называют законом Либиха: «Веществом, на-ходящимся в минимуме, управляется урожай и определяется величина, и ус-тойчивость последнего во времени».
В настоящее время толкование этого закона расширили, распространив на все живые организмы. В современной формулировке закон минимума
звучит так: выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей.
Однако, как выяснилось позже, лимитирующим может быть не только недостаток, но и избыток фактора, например, гибель урожая из-за дождей, перенасыщение почвы удобрениями и т.п. Понятие о том, что наравне с ми-нимумом лимитирующим фактором может быть и максимум, ввел спустя 70 лет после Либиха американский зоолог В.Шелфорд (1913 г,), сформулиро-вавший закон толерантности ( толерантность с латыни – «терпение»). У каж-дого организма существуют верхняя и нижняя границы амплитуды допусти-мых колебаний факторов, в которых организм может существовать.
Чем шире границы амплитуды допустимых колебаний факторов, тем выше устойчивость организма, тем он толерантней (т.е. более ус-тойчивый к воздействию неблагоприятных факторов).
Из закона толерантности ученые сделали несколько выводов:
организмы могут иметь широкий диапазон толерантности в отношении одного фактора и узкий в отношении другого;
организмы с широким диапазоном толерантности по всем факторам наиболее широко распространены на Планете;
если уровень одного экологического фактора выходит за границы диа-пазона толерантности, то может измениться диапазон толерантности и по другим факторам;
пользоваться оптимальными условиями среды часто организмам ме-шают внутривидовые отношения;
период размножения является критическим, так как многие факторы среды становятся лимитирующими.
Еще один закон – закон квантитацивной компенсации означает:
Количественные значения в ходе различных явлений на очень больших территориях стремятся сохранять постоянные значения.
Т.е., согласно закону, биосфера стремится поддерживать средние значе-ния на больших территориях. Знание этого закона позволяет прогнозировать развитие биосферы и ее компонентов. Это давно использовали в народных предсказаниях: если зима теплая, то лето будет прохладным и др. Если где-то засуха, то в другой местности могут пройти обильные дожди. Если где-то не-урожай, то это компенсируется небывало высоким урожаем в другом месте. Закон квантитацивной компенсации позволяет не опасаться гибели совре-менной цивилизации от географических причин.
Биосфера уравновесит любые возмущения и сохранит жизнь на Земле.
Но! Это возможно лишь в случае, если человек не будет вносить не-гативных возмущений, антропогенные факторы настолько сильны, что полностью подавляют функции саморегуляции биосферы.
5.2. Понятие об экологической нише живого организма
Американский ученый В. Шелфорд, доказавший, что не только недос-таток, но и избыток определяют жизнеспособность организма, (например, избыток ртути в организме человека влечет заболевание вплоть до летально-го исхода; недостаток тепла, ровно как и его избыток – причина гибели жи-вого), ввел понятие «лимитирующего фактора», а выведенное им правило назвали «закон лимитирующего фактора». Этот закон используется в при-родоохранных мероприятиях. Из этого закона вытекает важное для живых организмов понятие: «экологическая ниша жизненной формы».
Любой живой организм приспособлен к определенным условиям окру-жающей среды. Выход за ее границы подавляет жизнедеятельность этого организма и может вызвать гибель.
Совокупность множества параметров среды, определяющих условия су-ществования вида и его функциональных характеристик, представляет собой экологическую нишу.
Экологическая ниша включает в себя: - положение вида в пространстве;
- функциональную роль вида в сообществе; - абиотические условия его существования.
Образно говоря, если местообитание - это как бы адрес организмов данного вида, то экологическая ниша - это профессия, роль организма в мес-те его обитания.
Ниша – это совокупность условий жизни экологической системы, предъявляемых среде видом. Графической моделью экологической ниши может послужить часть многомерного пространства, положение которой оп-ределяется совокупностью координат факторов. Например, для нормального существования вида необходимы определенный уровень атмосферного дав-ления (Р), температуры (Т) и влажности (V). Моделю экологической ниши является параллелепипед. В реальных случаях моделью экологической ниши является многомерный параллелепипед. Если вследствие каких-либо процес-сов изменятся фактические параметры среды и значения их выйдут за гра-ницы ниши, то для организма возможны два исхода:
1) организм должен погибнуть и его место займет более пластичный вид;
2) организм попробует приспособиться к изменениям среды.
Если параметры среды изменились под воздействием деятельности человека, то амплитуда может настолько измениться, что организм не сможет приспо-собиться (адаптироваться). Для экологической ниши существует ряд пра-вил.
Правило географического оптимума
В центре видового ареала обычно существуют оптимальные для вида усло-вия существования, ухудшающиеся к периферии области обитания вида.
Природа очень экономна: даже два вида, занимающих одну и ту же эко-логическую нишу, не могут устойчиво существовать. В конкурентной борьбе один вид вытеснит другой.
Правило Гаузе.
Два вида живых организма не могут существовать на одной и той же терри-тории, если их экологические потребности одинаковы или, говоря иными словами, они занимают одну экологическую нишу. Совместной жизни не вы-ходит.
Природа и здесь нашла мудрое “решение”. Она разобщила или “оформила развод” животных, насекомых с одинаковыми экологическими свойствами в пространстве или во времени. Они приспособились жить в разных биотопах, ярусах леса. Так, медведи разделились на несколько подвидов: бурый живет в лесах, белый – во льдах Арктики, а австралийский коала – на деревьях. Среди зверей, птиц, насекомых с идентичными экологическими потребно-стями одни ведут ночной или сумеречный (скажем, барсук), другие – днев-ной образ жизни (например, медведь). Если в природе создается ситуация,
когда жестко ограничиваются возможности пространственно-временного ра-зобщения (нет условий для “развода”!), один из видов формирует для себя новую экологическую нишу либо исчезает. В свете этих закономерностей становится ясно, почему редкими стали, например, барсук и другие виды жи-вотных.
Правило естественности
В отношении людей к природе противоборствует два начала, два под-хода – “жесткий” и “мягкий”. Помните, сколько лет нам внушали все учеб-ники: “покорять природу – наша задача”. А ведь покоряют только врагов. Природа же – не враг наш, а дом, в котором мы живем. Старательный, рачи-тельный хозяин – и дом хорош. В доме возникает бедлам, поселяются скука и хаос, если хозяин – лодырь и расточитель.
“Жесткое” отношение к природе, перегрузка экосистем и всей биосферы чре-ваты цепными природными реакциями и даже деградацией природы.
В силу этого любые управленческие решения типа переброски вод (каналы), мелиорация, рубка леса, орошение больших территорий, химическая обра-ботка лесов и посевов должны проводиться в жизнь с точным расчетом и с величайшей осторожностью и осмотрительностью. Кроме трагических ре-зультатов “жесткое” управление природой оборачивается еще и колоссаль-ными экономическими потерями, ибо связано оно с большими затратами на строительство и содержание технических природоохранительных систем.
Экологическая ниша как функциональное место вида в системе жизни не может долго пустовать - об этом говорит правило обязательного заполне-ния экологических ниш: пустующая экологическая ниша всегда бывает есте-ственно заполнена. Экологическая ниша как функциональное место вида в экосистеме позволяет форме, способной выработать новые приспособления, заполнить эту нишу, однако иногда это требует значительного времени. Не-редко кажущиеся специалисту пустующие экологические ниши - лишь об-ман. Поэтому человек должен быть предельно осторожен с выводами о воз-можности заполнения этих ниш путем акклиматизации (интродукции). Акк-лиматизация - это комплекс мероприятий по вселению вида в новые места обитания, проводимый в целях обогащения естественных или искусственных сообществ полезными для человека организмами. Расцвет акклиматизаторст-ва пришелся на двадцатые - сороковые годы двадцатого столетия. Однако по прошествии времени стало очевидно, что-либо опыты акклиматизации видов были безуспешны, либо, что хуже, принесли весьма негативные плоды - ви-ды стали вредителями или распространяли опасные заболевания. Например, с акклиматизированной в европейской части дальневосточной пчелой были занесены клещи, явившиеся возбудителями заболевания варроатоза, погу-бившего большое число пчелосемей. Иначе и не могло быть: помещенные в чужую экосистему с фактически занятой экологической нишей новые виды вытесняли тех, кто уже выполнял аналогичную работу. Новые виды не соот-
ветствовали нуждам экосистемы, иногда не имели врагов и поэтому могли бурно размножаться.
Классическим примером тому является интродукция кроликов в Авст-ралию. В 1859 году в Австралию из Англии для спортивной охоты завезли кроликов. Природные условия оказались для них благоприятными, а местные хищники - динго - не опасными, так как бегали недостаточно быстро. В ре-зультате кролики расплодились настолько, что на обширных территориях уничтожили растительность пастбищ. В некоторых случаях введение в экосистему естественного врага заносного вредителя приносило успех в борьбе с последним, но здесь не все так просто, как кажется на первый взгляд. Завезенный враг совершенно необязательно сосредоточится на ис-треблении своей привычной добычи. Например, лисы, завензенные в Австра-лию для уничтожения кроликов, нашли в изобилии более легкую добычу - ме-стных сумчатых, не доставляя запланированной жертве особых хлопот.
Рассмотрим более подробно экологические факторы человека.
5.3. Экологические факторы человека
Экологическими факторами человека является любое условие среды, способное оказывать прямое или косвенное влияние на организм, хотя бы на протяжении одной из фаз его развития. Экологические факторы делятся на категории: абиотические – факторы неживой природы; биотические – фак-торы живой природы и антропогенные факторы – факторы, связанные с деятельностью человека.
Абиотические факторы:
1. климатические - свет, температура, влага, движение воздуха, давле-ние, космическая и солнечная радиация и др.;
2. эдафогенные (эдафос – почва) - механический состав, влагоемкость, плотность, гранулометрия, минеральный состав и др.;
3. орографические – рельеф почвы, высота над уровнем моря, экспози-ция склона;
4. химические – газовый состав воздуха, солевой состав воды, концен-трации веществ в пищевых продуктах , состав почвенных растворов и др.
Биотические:
1. фитогенные – влияние растительных организмов; 2. зоогенные – влияние животных;
3. микробиогенные – влияние вирусов, бактерий, риккетсий; Антропогенные:
1. влияние на человека атмосферы, нарушенной человеком; 2. влияние водной среды, нарушенной человеком;
3. влияние почвы, нарушенной человеком; 4. влияние флоры и фауны;
5. влияние человека на человека.
Существует еще одна классификация экологических факторов, основан-ная на оценке степени адаптивности реакций организмов на воздействие фак-торов среды. Эта классификация предложена советским ученым А.С. Мон-чадским. Рациональная классификация экологических факторов должна пре-жде всего учитывать особенности реакций живых организмов, подвергшихся воздействию этих факторов, в том числе степень совершенства адаптаций организмов, которая тем выше, чем древнее данная адаптация. Эта классифи-кация подразделяет все экологические факторы на три группы: первичные периодические, вторичные периодические и непериодические факторы.
Действие непериодических факторов сказывается преимущественно на численности особей в пределах конкретной территории.
Факторы климатические:
первичные периодические факторы o свет
o температура
вторичные периодические факторы o влажность
непериодические факторы o шквальный ветер
o значительная ионизация атмосферы o пожары.
Факторы физические неклиматические:
факторы водной среды
o содержание кислорода o соленость
o давление o плотность o течения;
эдафические факторы o вода
o механический состав o соленость и пр.
Факторы питания:
o количество пищи; o качество пищи.
Факторы биотические:
o внутривидовые взаимодействия; o межвидовые взаимодействия.
5.3.1. Основные абиотические факторы воздушного бассейна
1. Поступающая от Солнца лучистая энергия (солнечная радиа-ция).
Движущей силой в любой материальной системе служит энергия. Жиз-недеятельность живых организмов невозможна без постоянного притока энергии извне. В экосистемы она поступает главным образом от Солнца. Рас-тения за счет содержащегося в них пигмента хлорофилла улавливают энер-гию излучения Солнца и используют ее для синтеза основы любого органи-ческого вещества - глюкозы C6H12O6. Это есть процесс фотосинтеза:
Излишек атомов кислорода выделяется в атмосферу в газообразной форме. Кинетическая энергия солнечного излучения преобразуется таким образом в потенциальную энергию, запасенную глюкозой. Из глюкозы вместе с полу-чаемыми из почвы минеральными элементами питания - биогенами - обра-зуются все ткани растительного мира - белки, углеводы, жиры, липиды, ДНК, РНК, то есть органическое вещество планеты.
Вращение Земли вокруг своей оси приводит к неравномерному распре-делению энергии Солнца, его теплового излучения. В связи с этим атмосфера над сушей и океаном нагревается неодинаково, а различия в температуре ме-стности и давлении вызывают перемещения воздушных масс, изменение влажности воздуха, что влияет на ход химических реакций, физических пре-вращений и прямо или косвенно — на все биологические явления (характер расселения жизни, биоритмы и т. п.). Солнечная радиация распространяется в виде электромагнитных волн со скоростью 300 тыс. км/с. 99% ее составляют лучи с длиной волны 0.17-4.0 мкм, из них 48% - видимая часть спектра (0.4-0.76 мкм), 45% - инфракрасная (0.75 мкм -10-3 м) и 7% - ультрафиолетовая (менее 0.4 мкм). Наиболее важная для человека часть – инфракрасная и ви-димая части спектра. Зеленые растения по-разному используют спектральные области солнечного света: лучше всего ими используются красные и сине-фиолетовые части спектра.
Количество энергии, подходящей к Земле, практически постоянно: 21×1023 кДж в год. Эту величину называют солнечной постоянной. Чаще эту характеристику выражают в количестве джоулей, приходящихся на 1 см2 земной поверхности, в единицу времени. Ее среднее значение равно 0.14 Дж/см2 в сек. или 180 ккал/см2 – на экваторе и 60 ккал/см2 - на полюсах в год. Солнечная энергия поглощается и отражается земными предметами. Земная атмосфера, включая озоновый слой, селективно, то есть избирательно по час-тотным диапазонам, поглощает энергию электромагнитного излучения Солнца и до поверхности Земли доходит в основном излучение с длиной волны от 0,3 до 3 мкм. Более длинно и коротковолновое излучение поглоща-ется атмосферой.
Прошедшие атмосферу солнечное тепло нагревает непосредственно воз-дух только на 0,2-0,5˚С за день в зависимости от количества водяных паров и загрязнения атмосферы. Много солнечной радиации поглощается или отра-жается назад от облаков. Количество отраженных лучей зависит от облачно-сти в данный день. Только около 43% солнечных лучей доходит до земли. Судьба их зависит от того, на что они попадут на земной поверхности. Скло-ны, ориентированные на юг, поглощают больше тепла, чем горизонтальная поверхность и, особенно, чем северные склоны. Вогнутые поверхности по-глощают больше тепла, чем плоские или выпуклые. Деревья и трава отража-ют зеленый свет, в то время, как песок около 20% достигающей его радиа-ции. Снег и лед отражают от 40% до 90%, а темные поверхности, такие как асфальтовые площадки или вспаханные поля - только 10-15%. Вся радиация, которая поглощается поверхностью, включается в процесс нагрева. Некото-рое количество тепла распространяется вглубь земли, остальное работает на нагрев атмосферы, когда тепло распространяется в ней путем переноса или поднятия вверх нагреваемых землей слоев воздуха. Часть тепла идет на на-грев воды, которая также позже отдает его в атмосферу. Поверхность Земли имеет максимальную температуру через некоторое время после полудня, около 15:00 . Это обычно время максимальной термической активности. Ес-тественно, что наибольшее количество тепла получают районы, близкие к экватору.
Для живого вещества важны качественные признаки света - длина вол-ны, интенсивность и продолжительность воздействия.
Известно, что животные и растения реагируют на изменение длины волны света. Цветовое зрение распространено в разных группах животных пятнисто: оно хорошо развито у некоторых видов членистоногих, рыб, птиц и млекопитающих, но у других видов тех же групп оно может отсутствовать.
2. Освещенность земной поверхности. Освещенность определяется продолжительностью и интенсивностью светового потока, падающего на по-верхность Земли, и зависит от смены светлой и темной частей суток. Про-должительность светового дня, или фотопериод, является "реле времени" или пусковым механизмом, включающим последовательность физиологических процессов, приводящих к росту, цветению многих растений, линьке и накоп-лению жира, миграции и размножению у птиц и млекопитающих. Продолжи-тельность светового дня зависит от географической широты. Как проявление приспособительных реакций на смену дня и ночи у животных и человека на-блюдается суточная ритмичность интенсивности обмена веществ, частоты дыхания, сердечных сокращений и уровня кровяного давления, температуры тела, клеточных делений и т.д. У человека выявлено более ста физиологиче-ских процессов биоритмического характера, благодаря которым у здоровых людей наблюдается согласованность различных функций. Исследование биоритмов имеет большое значение для разработки мер, облегчающих адап-тацию человека к новым условиям при дальних перелетах, переселении лю-дей в районы Сибири, Дальнего Востока, Севера, Антарктиды.
Некоторые высшие растения цветут при увеличении длины дня (расте-ния длинного дня), другие зацветают при сокращении дня (растения коротко-го дня). У многих организмов, чувствительных к фотопериоду, настройку биологических часов можно изменить экспериментальным изменением фо-топериода.
Для животных освещенность имеет меньшее значение, чем для расте-ний. Многие животные способны развиваться в темноте: землеройные.
Для человека видимый свет - источник жизненной энергии, стимулятор вы-работки гормонов и регулятор биоритмов. Инфракрасный свет – источник тепла. Ближний ультрафиолетовый - губителен для болезнетворных бакте-рий.
3. Влажность атмосферного воздуха. Вода – главный компонент живых организмов. Растения состоят из 70-90% воды; медуза – 98%; рыба – 70%; млекопитающие (человек) – 63-68%. Влажность воздуха связана с на-сыщением его водяными парами. В нижних слоях атмосферы (до 1-2 км) со-средоточено до 50% атмосферной влаги.
Влажность воздуха определяется количеством в нем водяного пара. Со-держание водяного пара в воздухе напрямую зависит от температуры: чем она выше, тем его больше. Количество содержащейся в воздухе влаги харак-теризуется двумя величинами - относительной и абсолютной влажностью. Абсолютная влажность показывает, сколько граммов водяного пара содер-жится в одном кубическом метре воздуха. Несмотря на свою наглядность, абсолютная влажность не дает представления о том, насколько воздух сух. А для определения сухости воздуха используется понятие относительной влажности, которая показывает, насколько воздух далек от насыщения во-дяным паром: при 100-процентной относительной влажности вода перестает испаряться и пар начинает конденсироваться в виде тумана.
Абсолютная влажность - масса водяного пара, содержащегося в еди-нице объема воздуха (кг/м3).
Относительная влажность - отношение абсолютной влажности к ее максимальному значению при данной температуре. При 100% относи-тельной влажности в воздухе (максимальный предел) может произойти конденсация водяных паров с образованием тумана, выпадением воды.
Температура, при которой это случается, называется точкой росы.
Разность между максимальным пределом и реальной насыщенностью называется дефицитом влажности.
Оптимальная для человека влажность 40-60%. Чем выше дефицит влаж-ности – тем суше и теплее, чем ниже – тем холоднее и более сыро. Повыше-ние дефицита влажности приводит к усиленному плодоношению у растений и даже к интенсивному размножению (вспышкам деторождаемости) у жи-вотных. На анализе этого фактора основаны многие способы прогнозирова-
ния численности особей в мире живых организмов. Приспосабливаясь к ус-ловиям водного голода, растения адаптируются, сокращают листовую по-верхность, сбрасывают листву полностью, увеличивают толщину защитной пленки листьев; листья приобретают сильную опушенность.
Для человека важна именно относительная влажность, поскольку от нее зависит интенсивность испарения влаги с кожи человека, со слизистых и т.п. Что же происходит с влажностью воздуха зимой?
Относительная влажность наружного воздуха в зимний период может быть вполне нормальной - 60-80%. В то же время абсолютная влажность бу-дет низкой, поскольку холодный воздух не может содержать большое коли-чество водяного пара. При проветривании теплого помещения холодный воз-дух с низким содержанием влаги попадает внутрь и нагревается. При этом количество водяного пара в воздухе (абсолютная влажность) не изменяется. Поскольку теплый воздух мог бы содержать значительно больше водяного пара, чем холодный со временем может потрескаться изоляция электрокабе-лей. Таким образом, зимой в отапливаемых помещениях относительная влаж-ность воздуха понижается в 2-2,5 раза (до 25-35% при норме 55-60%). Пони-женная влажность приводит к рассыханию мебели и других деревянных предметов, у людей начинает шелушиться кожа, пересыхают слизистые обо-лочки рта и носа, делая человека более восприимчивым к любой инфекции, в бытовой технике
Влажность воздуха является одним из важнейших параметров атмосферы, который определяет погоду, а также то, насколько комфортно чувствует себя человек в данный момент времени.
Дело в том, что наличие влаги в воздухе резко меняет его теплопровод-ность и теплоемкость. Поэтому жара и холод в условиях большой влажности переносятся значительно тяжелее. Зимой при большой влажности человек больше мерзнет, а обморожения могут наступить уже при +4ºС. В жарком, тропическом климате выделяемый человеческим организном пот из-за боль-шой влажности воздуха не может эффективно испаряться и снижать темпе-ретуру тела. Это приводит к большим водопотерям и нарушению терморегу-ляции организма и перегреву.
4. Осадки. Осадки – это результат конденсации водяных паров: роса, туман, при низких температурах – снег, иней. По количеству осадков выделяют гу-мидные (влажные) зоны и аридные (засушливые). Максимум осадков наблю-дается в зоне тропических лесов (до 2000 мм в год), а минимум - в пустынях тропического пояса (0.18 мм в год). Зоны, где количество осадков менее 250 мм в год, считаются засушливыми. Томская область характеризуется, в сред-нем, 400-500 мм осадков в год (в зависимости от района.), т.е. Томская об-ласть находится в зоне умеренной влажности.
6. Газовый состав атмосферы. Газовый состав атмосферы также явля-ется важным климатическим фактором. Примерно 3-3,5 млрд лет назад атмо-сфера содержала азот, аммиак, водород, метан и водяной пар, а свободный кислород в ней отсутствовал. Состав атмосферы в значительной степени оп-ределялся вулканическими газами. Из-за отсутствия кислорода не существо-вало озонового экрана, задерживающего ультрафиолетовое излучение Солн-ца. С течением времени за счет абиотических процессов в атмосфере планеты стал накапливаться кислород, началось формирование озонового слоя.
Состав в настоящее время атмосферы относительно постоянен: азот, кислород, диоксид углерода, аргон и ничтожное количество других элемен-тов. Соотношение газов в атмосферном воздухе следующее: 78.8% - азот; 20.95% - кислород; 0.93% - аргон; 0.03% - углекислый газ, На остальные ве-щества – неон, гелий, метан, водород, угарный газ, озон в сумме приходится 0.1%. 50% всей массы газов сосредоточено в 5-километровом нижнем при-земном слое. Важнейшим элементом атмосферного воздуха является азот, который участвует в образовании белковых структур. Кислород обеспечи-вает окислительные процессы в живых тканях. Диоксид углерода – демпфер солнечного излучения. Озон – экран по отношению к ультрафиолетовой час-ти солнечного спектра. Концентрация кислорода наибольшая у поверхности и с высотой снижается, поэтому животные для адаптации к высоте стали по-вышать количество гемоглобина в крови, а растения – хлорофилла в листьях /16/. В середине Х1Х века постоянство химического состава атмосферы стало нарушаться из-за деятельности человека. Увеличилось количество угарного газа, появились фреоны, пары кислот, аэрозоли тяжелых металлов. Наиболее чувствительными к вредным газам оказались хвойные породы, менее вос-приимчивы лиственные, в пределе, вокруг индустриальных центров в скором будущем могут образоваться лишайниковые пустыни.
6. Температура на поверхности Земного шара. По сравнению со всеми абиотическими факторами температура имеет наибольшее значение для человека. Количество тепла, падающего на горизонтальную поверхность Земли, пропорционально синусу угла стояния солнца над горизонтом. По-этому существуют суточные и сезонные колебания температуры.
Температура оказывает регулирующее влияние на многие процессы жизни растений и животных, изменяя интенсивность обмена веществ. Ак-тивность клеточных ферментов лежит в пределах от 10 до 40 °С, при низких температурах реакции идут замедленно, но при достижении оптимальной температуры активность ферментов восстанавливается. Пределы выносливо-сти организмов в отношении температурного фактора для большинства ви-дов не превышают 40—45 °С, пониженные температуры оказывают менее неблагоприятное воздействие на организм, чем высокие. Нижний предел свя-зан с переходом воды в твердое состояние; верхний – со свертываемостью белка. Жизнедеятельность организма осуществляется в пределах от -4 до 45 °С. Однако небольшая группа низших организмов способна обитать в горя-чих источниках при температуре 85 °С (серные бактерии, синезеленые водо-
росли, некоторые круглые черви), многие низшие организмы легко выдержи-вают очень низкие температуры (их устойчивость к замерзанию объясняется высокой концентрацией солей и органических веществ в цитоплазме). У каждого вида животных, растений и микроорганизмов выработались необ-ходимые приспособления как к высоким, так и к низким температурам. Так, многие насекомые при наступлении холодов скрываются в почве, под корой деревьев, в трещинах скал, лягушки зарываются в ил на дне водоемов, неко-торые наземные животные впадают в спячку и оцепенение. Приспособление от перегрева в жаркое время года у растений выражается в увеличении испа-рения воды через устьица, у животных — в виде испарения воды через дыха-тельную систему и кожные покровы. Животные, не обладающие системой активной терморегуляции (холоднокровные, или пойкилотермные), колеба-ния внешней температуры переносят плохо, поэтому их ареалы на суше от-носительно ограничены (амфибии, рептилии). С наступлением холодов у них снижается обмен веществ, потребление пищи и кислорода, они погружаются в спячку или впадают в состояние анабиоза (резкое замедление жизненных процессов при сохранении способности к оживлению), а при благоприятных погодных условиях пробуждаются и снова начинают активную жизнь. Споры и семена растений, а среди животных — инфузории, коловратки, клопы, клещи и др. — могут много лет находиться в состоянии анабиоза. Тепло-кровность у млекопитающих и птиц дает им возможность переносить небла-гоприятные условия в активном состоянии, пользуясь убежищами, поэтому они в меньшей степени зависят от окружающей среды. В период чрезмерного повышения температуры в условиях пустыни животные приспособились пе-реносить жару путем погружения в летнюю спячку. Растения пустынь и по-лупустынь весной за очень короткий срок завершают вегетацию и после со-зревания семян сбрасывают листву, вступая в фазу покоя (тюльпаны, мятлик луковичный, иерихонская роза и др.).
Для животных оптимум температуры + 18-29 град. С.
Животные, имеющие постоянную температуру, называются тепло-кровными. Они живут за счет активного обмена веществ и термоизоляции тела (мех, перья, одежда). К ним относится и человек.
Среди теплокровных животных прослеживается связь между геогра-фическим распространением и их морфологическими приспособлениями, которые сформулированы в виде правил..
Правило Бергмана (1847): животные одного вида в более холодных областях имеют более крупные размеры или в пределах вида животные с более крупными размерами встречаются в более холодных областях (белый медведь – 1000 кг, бурый – 750 кг, а гималайский – 65 кг).
Суть правила. Теплопродукция (выделение тепла клетками организ-ма) пропорциональна объему тела. Теплоотдача (потеря тепла, его передача в окружающую среду) пропорциональна площади поверхности тела. С уве-
личением объема площадь поверхности растет относительно медленно, что позволяет увеличить отношение "теплопродукция / теплоотдача" и таким образом компенсировать потери тепла с поверхности тела в холодном кли-мате.
Математическая модель. Представим себе двух животных, имеющих тело в виде правильных кубов со сторонами а у первого и 2а - у второго животно-го.
S1 = 6 a2 V1 = a3
T1 = V1 / S1 = a3/ 6 a2 = a / 6
S2 = 6 (2a)2 = 24 a2
V2 = (2a)3 = 8 a3
T2 = V2 / S2 = 8a3/ 24 a2 = a / 3
Таким образом, отношение V/ S(фактически - отношение теплопродукции к теплоотдаче!) у второго животного в два раза выгоднее для условий, где теплопродукция должна быть больше, чем теплоотдача (т.е. для холодного климата).
Правило Аллена (1877): выступающие части тела у теплокровных жи-вотных (уши, хвосты, лапы) тем короче, а тело тем массивнее, чем хо-лоднее климат (лисица Сахары – фенек - имеет длинные конечности и уши, лиса умеренных широт более приземиста, а песец – маленькие уши и короткую морду).
Теплопродукция (выделение тепла клетками организма) пропорциональна объему тела. Теплоотдача (потеря тепла, его передача в окружающую сре-ду) пропорциональна площади поверхности тела. Тонкие выступающие части тела, имеющие небольшой объем и большую площадь поверхности, увеличивают теплоотдачу, т.е. ведут к потере тепла организмом.
Задача. Взрослый европеец ростом 182 см весит 81 кг. У взрослого пигмея в африканском лесу рост 156 см и вес 49 кг. Найдите отношение теплопродукции к теплоотдаче, если теплопродукцию будем считать пропорциональной массе тела, а теплоотдачу - площади поверхности, которую вычисляем по эмпирической фор-муле
me = ... Se = ...
Te = me / Se = ...
mп = ... Sп = ...
Tп = mp / Sp = ...
Двести тысяч лет назад начался процесс «усыхания» человечества и остановился совсем недавно. Сейчас мы наблюдаем начало обратной тен-денции, но этот факт никак не связан с генетическими переменами рода че-ловеческого, а исключительно с усиленным питанием. Поэтому рост неиз-бежно закончится, что похоже уже и происходит в Японии. Неужто
то был кратковременный ( по масштабам жизни планеты ) всплеск, кото-рый вскоре опять сменится усыханием и уменьшением рода людского?
Ответить на этот вопрос можно будет лишь поняв причину уменьше-ния размеров людей в прошлом. Начать придется с вопроса: каким образом связаны человеческие «размеры» со способностью адаптироваться к разным климатическим и другим переменам?
Активное изучение этого вопроса начал в 1847 году шведский анатом Бергман. Он постулировал два правила, названных по его имени, суть кото-рых состоит в том, что в теплом климате рост у людей меньше, чем в холодном. Через тридцать лет после Бергмана английский биолог Ал-лен предположил, что в теплом климате у людей длиннее конечности. Про-верка этих закономерностей не завершена и по сей день.
Руф рассматривал человека как цилиндр — на такой геометрической форме проще изучать процесс теплообмена между нашим телом и окружающей средой. Чем длиннее цилиндр, тем меньшую долю своего те-пла тело отдает в окружающую среду. Полным людям труднее жить в теплом климате. Вот на чем основаны правила Бергмана. Руф проверил их на 70 группах людей по всему земному шару, и не нашлось ярко выра-женных противоречий этим самым правилам. Подтвердилось и правило Ал-лена — длинными конечностями обладали жители экваториальных районов.
Но даже при всех этих сложностях, большинство антропологов сходят-ся в одном: 400 тысяч лет назад люди были выше и шире, чем двести тысяч лет назад и уж тем более — сейчас. Размеры человеческих особей постоянно, но медленно снижались, а 10 тысяч лет назад — в конце эпохи оледенения — уменьшение размеров резко ускорилось. Между прочим, вместе с ростом и весом уменьшался размер мозга — с 1500 до 1300 кубических сантиметров.
Правило Глогера (1833). Виды животных, обитающих в теплых и влажных зонах, имеют более интенсивную пигментацию тела, чем оби-татели холодных и сухих областей.
Географические расы животных в теплых и влажных регионах пигментиро-ваны сильнее (т.е. особи темнее), чем в холодных и сухих. В сильно загряз-ненных местах наблюдается так называемый индустриальный меланизм - по-темнение животных, поэтому число исключений из правила Глогера в по-следние годы резко увеличилось. Правило Глогера названо в честь устано-вившего его в 1833 г. польского ученого К. Глогера (18О3 - 1863). Физиоло-гический смысл правила Глогера неясен, т.к. оно распространяется даже на виды, ведущие ночной образ жизни.
8 Давление атмосферы.
Атмосферное давление - давление атмосферного воздуха на находя-щиеся в нем предметы и на земную поверхность. В каждой точке атмосферы атмосферное давление равно весу вышележащего столба воздуха с основани-ем, равным единице площади; с высотой атмосферное давление убывает.
Показателем давления служит высота ртутного столба в мм, уравновеши-ваемого давлением воздуха. В системе СГС атмосферное давление измеряет-ся в миллибарах (мбар), в системе СИ - в гектопаскалях (гПа).
При повышении температуры воздух расширяется и конвективно подни-мается, а давление падает. При уменьшении температуры воздух сжимается, становится более плотным, а давление растет.
Распределение атмосферного давления по земной поверхности обуслов-ливает движение воздушных масс и атмосферных фронтов, определяет на-правление и скорость ветра.
Изобары - изолинии на географических картах, соединяющие точки с одинаковым атмосферным давлением. Изобары используются на синоптиче-ских и климатических картах. В некоторых случаях составляться специаль-ные карты изобар для среднего многолетнего, месячного и других значений атмосферного давления.
Барические системы - совокупность областей пониженного или повы-шенного давления в атмосфере. Различают барические системы с замкнуты-ми (циклоны и антициклоны) и незамкнутыми (ложбины, гребни) изобарами. По размерам барические системы сравнимы с материками и океанами или их крупными частями.
Барические системы непрерывно перемещаются, меняют свои размеры, возникают и исчезают. С барическими системами связаны системы ветров, распределение температуры, облачности, осадков, самочувствие людей и т.д.
Прибор для измерения атмосферного давления - барометр. В ртутном (жидкостном) барометре атмосферное давление измеряется по высоте столба ртути в запаянной сверху трубке, опущенной открытым концом в сосуд с ртутью. Ртутные барометры - наиболее точные приборы, ими оборудованы метеорологические станции и по ним проверяется работа других видов баро-метров - анероида и гипсотермометра.
Нормальное атмосферное давление - давление всего столба атмосферы на уровне моря и географической широте 45 град. За нормальное давление принимают 760 мм рт. столба (1013 мбар, 101,3 кН/кв.м). При расчетах в ди-намической метеорологии за нормальное давление обычно принимается 1000 мбар. На человека обычных размеров, в среднем, давит столб атмосферного воздуха весом около 200 тонн.
1 гПа = 1000 дин/см 2 = 1мб = 0,75 мм рт. ст.).
7. Движения воздушных масс (ветер). Ветер - в метеорологии - движе-ние воздуха относительно (параллельно) земной поверхности. Ветер возни-кает в результате неравномерного распределения атмосферного давления и
направлено от высокого давления к низкому. Вследствие непрерывного из-менения давления во времени и пространстве скорость и направление ветра постоянно меняются. С высотой ветер меняется из-за убывания силы трения.
Ветры над большими площадями образуют обширные воздушные те-чения (муссоны, пассаты), из которых слагается общая и местная циркуляция атмосферы. Причиной ветра является неодинаковый нагрев земной поверх-ности: ветровой поток направлен в сторону меньшего давления или туда, где воздух более прогрет. Ветер – наиважнейший фактор переноса примесей в атмосферном воздухе, а также он изменяет температуру и влажность на пла-нете. С ветром связано возникновение такого понятия, как «ветровая эро-зия», в результате которой гумусовые частицы почвы переносятся на боль-шие расстояния. Это приводит к оголению корней деревьев, семян, изрежи-ванию посевов, иссушению почвы. В экологии животных и человека ветер играет небольшую роль.
5.3.2. Абиотические факторы почвы.
По определению почвоведа Вильямса В.Р. «Почва – это рыхлый гори-зонт суши, способный производить урожай растений» /2/.
В определении отражено важнейшее свойство почвы – плодородие. Почва является гигантской экологической системой, которая наряду с Мировым океаном, оказывает решающее влияние на всю биосферу. Почва активно уча-ствует в круговоротах веществ и энергии в природе, поддерживает газовый
состав атмосферы.
Почва – это трехфазная среда, вклю-чающая твердую, жидкую и газообразные фазы, которые формируются в процессе взаимодействия климата, растений, жи-вотных и микроорганизмов. Существует
большое разнообразие типов почв: подзо-листые, пески, глина, чернозем и др.
Рисунок 5.3.- Модель почвы Выделяют пять слоев (пластов) поч-вы.
А1 - Этот горизонт называют гумусовым, он формируется при содейст-вии растений и микроорганизмов. Количество гумуса определяет плодоро-
дие почвы.
С А0 - расположен (но не всегда есть ) выше гумусового слоя. Называется
этот слой «подстилка» или «дернина». Он состоит из растительных остатков, степного войлока, корневищ трав. Дернина влияет на тепловой и воздушный режимы корневой системы растений: защищает корни от перегрева и переох-лаждения.
А2- горизонт вымывания - залегает под горизонтом А1 и является мало-плодородным подзолистым горизонтом. На черноземных почвах он, как правило, отсутствует. Горизонт характеризуется выносом основных
вило, отсутствует. Горизонт характеризуется выносом основных химических веществ в более глубокие горизонты.
Еще глубже залегает горизонт В – иллювиальный слой. В нем накапли-ваются минеральные вещества из вышележащих слоев. Имеет бурую окраску и высокую плотность.
С – материнская горная порода, на которой формируется почва.
Основные свойства почвы:
1. Химический состав почвы: почвенная среда состоит из живой и косной материй: это слой материнский породы с живыми организмами и продуктами их жизнедеятельности.
Средний состав почвы:
- 50% -кремнезем (SiO2), - 25% - глинозем (Al2O3),
- 10% - оксиды железа (Fe2O3),
- на остальные вещества приходится около 15%, это: оксиды магния, калия, фосфора и кальция (MgO, K2O, P2O5, CaO).
2. Механический состав почвы - важное физическое свойство. Разли-чают четыре градации почв по механическому составу: песок, супесь, сугли-нок и глина. От градации зависит водопроницаемость почвы, ее плотность, способность проникновения в почву корней растений, аэрация, т.е. насы-щенность почвы кислородом.
3. Состав растворенных в почве ионов, от которого зависят биохими-ческие свойства почвы. Некоторые ионы для растений являются ядом, другие - жизненно необходимы. Особенно важны ионы водорода, определяющие уислотность почвы. Концентрация в нормальной почве ионов водорода (рН) должна быть близка к нейтральной (5.5). Засоленные и известковые почвы с рН≥9, торфяные с рН≤4 являются непригодными для земледелия. Однако существуют ацедофильные организмы, которые требуют кислых почв (ель, щавель, мхи); нейтрофильные – предпочитают нейтральную поч-вы (основные растения); базофильные – требуют известкования почв (ясень, люцерна). Существуют почвы с большим количеством растворенной в ней соли, особенно хлористого натрия. На таких почвах способны жить только растения-галофиты.
Безразличны к питательности почвы все птицы, млекопитающие и чело-век.
4. Содержание биомассы. В почве обитают множество раститель-ных и животных организмов, грибов, бактерий, водорослей. В среднем, био-масса живых организмов в пахотном слое, снятом с 1 гектара, равна (в кг): бактерий 1000-7000; микрогрибов 100-1000; водорослей –100-300; червей – 350-1000. Культурные растения в процессе роста изымают из почвы биоген-ные вещества. Потери восстанавливаются за счет внесения удобрений. Но удобрения непосредственно, как правило, растениями не усваиваются. В
биологически доступную форму они трансформируются микроорганизмами почвы – без них почва неплодородна.
5.3.3. Абиотические факторы водной среды
На водную поверхность приходится 71% всей земной поверхности. Океан – главный приемник и аккумулятор солнечной энергии. Водная обо-лочка планеты носит название гидросферы и включает пресные воды (горные льды, реки, озера, болота) и воды океанов и внутренних морей. Основными факторами водной среды являются физические и химические свойства воды.
1. плотность и вязкость воды;
2. подвижность – постоянное перемещение вод в пространстве, под-держивающее водную гомогенность (однородность);
3. температурная стратификация – изменение температуры по глу-бине; от этого фактора зависит периодические изменения температуры в водоемах: в глубине самая низкая температура 2 град С, на поверхности са-мая высокая 37 град. С;
4. прозрачность (обратная характеристика мутность) – определяет световой режим в толще воды; прозрачность зависит от количества взвешен-ных частиц, фитопланктона, высших растений;
5. соленость - т.е. содержание в воде растворенных сульфатов, карбо-натов, хлоридов; в пресных водах обнаруживаются, в основном, карбонаты: до 80%., в морских - хлориды и сульфаты; вода считается соленой, если концентрация солей превышает 0.5 мг/л. (в морской воде – 35 мг/л., причем хлористого натрия – 27 мг/л).
6. количество растворенного кислорода – кислород обеспечивает ды-хание живых водных организмов. Кислород мало растворим в пресной воде, еще меньше - в соленой. Максимальная концентрация кислорода, растворен-ного в пресной воде, составляет 10.2 см3/л при 0 град. С и 5.5 см3/л при 30 град. С. В пресных водоемах содержание кислорода сильно зависит от вре-мени года: зимой оно уменьшается и может вызвать гибель (замор) рыбы. Очень критичны к этому показателю лососевые породы (форель), менее кри-тичны – карповые (карась).
5.3.4. Биотические факторы /4,25/
Под биотическими факторами понимают совокупность влияний жизне-деятельности одних организмов на другие. К биотическим факторам от-носятся также все живые организмы, окружающие данный организм, и оказывающие на него прямое или косвенное влияние в результате своей жизнедеятельности.
Взаимоотношения между живыми организмами называют коакциями. Коакции классифицируют с точки зрения реакции друг на друга: гомотипи-
ческие и гетеротипические. Гомотипические коакции - это взаимодействия между особями одного и того же вида (гомотипическая коакция людей, на-пример, «эффект толпы»). Гетеротипические коакции – это коакции между индивидуумами разных видов (лисы питаются зайцами).
Важнейшим двигателем к возникновению взаимоотношений между живыми организмами (в возникновении коакций) является пищевой фактор. Первичное органическое вещество на Земле создают растения, следователь-но, они обеспечивают энергией (через пищу) все живое. Каждый вид живого организма обладает избирательностью к пище.
Среди животных имеются виды, питающиеся исключительно расти-тельной пищей (фитофаги) или только животной (зоофаги), причем одним видом (монофаги) или многими видами (полифаги).
Виды взаимоотношений между живыми организмами:
1. У животных (и человека) наиболее распространено хищничество – по-едание часто погибают; вороны, питаясь остатками трапезы волка сво-им криком отпугивают пищу от охотящегося волка или привлекают охотника и одного организма (жертвы) другим организмом (хищни-ком). Все травоядные, по существу, являются хищниками, так как по-едают живую материю – растительность. Известны хищные бактерии, растения, насекомые. Хищники бывают нулевого порядка – поедают только растения; первого порядка – нападают на мирных (травоядных) животных, а также второго порядка и более высоких порядков – напа-дают на более слабых, чем они хищников. В развитии численности хищников и жертв существует тесная связь.
2. Другой тип взаимоотношений – паразитизм. Такие взаимоотношения, когда один вид (паразит) использует организм другого вида (хозяина) в качестве среды обитания и источника пищи. ПАРАЗИТИЗМ, образ жизни, при котором организм, принадлежащий к одному виду (пара-зит), живет внутри или на теле представителя другого вида (хозяина), используя его в качестве источника пищи. Примеры – гельминты, кле-щи, возбудители болезней – микробы. Это истинный паразитизм. Име-ется также временный паразитизм. Некоторые насекомые (паразитои-ды) откладывают яйца в тело других насекомых (животных). Во взрос-лой фазе они живут свободно. Различают эктопаразитов – питаются телом хозяина, проживая на его поверхности, и эндопаразитов – име-ют приспособления, позволяющие жить и питаться внутри хозяина. Явлению паразитизма присущи следующие общие черты: 1) та или иная степень опасности для хозяина; 2) более или менее постоянная связь между хозяином и паразитом; 3) полная зависимость паразита от пищи, получаемой от хозяина в виде либо переваренных продуктов, либо тканей его организма.
Системы хищник-жертва и паразит-хозяин постоянно эволюциониру-ют. Паразитам и хищникам не выгодно полностью уничтожать популя-
ции хозяев и жертв, поэтому длительная совместная эволюция приво-дит к тому, что влияние на жертв и хозяев становится умеренным, наи-больший вред наносят новые паразиты и хищники. Характерный при-мер - наиболее опасны для человека новые, впервые завезенные возбу-дители заболеваний.
3. Взаимоотношение – комменсализм (сотрапезничество) – поедание ос-татков трапезы одного вида другим видом (например, гиены). Среди растений – это лишайники, лианы, орхидеи, живущие за счет других деревьев, не принося им вреда. Они питаются веществами, накапли-вающимися между корой и телом дерева. Зеленая водоросль поселяется на шерсти ленивца, делает его незаметным в листве.
Есть очень много животных, которые ищут покровительства друго-го, более могущественного животного, чтобы под его защитой добы-вать себе пищу. В простейшем случае этого рода между некоторыми животными устанавливается нечто вроде союза для общей пользы, или полезного только слабейшему члену, но совершенно безразличного для покровителя. Вот несколько примеров. В степной полосе Южной Рос-сии скворцы целыми стаями держаться около стад, так как в навозе скота для них всегда имеется обильная пища в виде многочисленных насекомых, которые там поселяются. Издавна известен союз между па-харем и грачами, которые целыми стаями слетаются, лишь завидят со-ху, их привлекают личинки насекомых, которых они могут доставать из разрыхленной почвы. В африканских степях страусы и кваги обык-новенно держаться вместе, и такой союз приносит им обоюдную поль-зу. Действительно: высокорослые страусы легче, чем кваги, могут за-метить приближающуюся опасность, а кваги со своей стороны полезны страусам тем, что в их навозе разводяться большие жуки, составляю-щие лакомство для страусов.
Комменсализм принимает вид еще более тесного союза в том слу-чае, когда слабейший член поселяется внутри самого тела своего по-кровителя или на поверхности его. В таком случае он питается не те-лом и не соком своего покровителя, а лишь перехватывает для себя часть его пищи. Так в реках Бразилии водится один сом, у которого во рту преспокойно живут целые общества маленьких рыбок, они поме-щаются между выростами костей и в складках стенок ротовой полости. Устроившись таким образом во рту сома, рыбешки эти находятся в полной защите от врагов и в то же время кормятся частицами той пи-щи, которую заглатывает сом. В этом случае сожительство продолжа-ется неопределенное время, но бывают случаи комменсализма лишь на короткое время личинной стадии.
4. Форезия – перенос одних видов другими. Пример - блохи, пиявки на рыбе.
5. Нейтрализм – взаимная независимость совместно обитающих видов; в природе эти взаимоотношения обнаружить сложно.
6. Мутуализм – способность одних видов развиваться в присутствии дру-гих; это мицелии грибов и корни высших растений, корень – среда обитания, а гриб способствует поступлению воды и питательных ве-ществ, т.е. взаимодействие благоприятно для обоих видов.
7. Аменсализм – один вид в присутствии другого не может развиваться и размножаться; блохи, живущие в норах с сусликами, являются пере-носчиками болезней и последние др.
8. Протокооперация – совместное проживание нескольких видов для защиты от врагов;
9. Интерференция – непреднамеренное подавление одного вида другим, например, белки, поедая шишки хвойных деревьев, не дают им раз-множаться;
10.Симбиоз – (сожительство) – разные виды проживают совместно и ре-гулируют взаимоотношения между собой и внешней средой.
Многообразны отношения между животными и растениями. Перенос семян, заболеваний, укрытие от хищников и непогоды и др. Хищники, пара-зиты, зоофаги и фитофаги являются факторами среды, экологическими эле-ментами. С общеэкологических позиций они все взаимно необходимы друг другу. В процессе их взаимодействия идет естественный отбор, приспособи-тельная изменчивость, а это – важнейшие элементы эволюции. Исчезнове-ние какого либо «врага» может привести к вымиранию вида, которым питал-ся этот враг, за этим следуют болезни, перерасплод, вымирание.
5.3.5. Антропогенные факторы
Это факторы, связанные с хозяйственной деятельностью человека и ока-зывающие любое влияние на живые организмы. Можно выделить три боль-шие группы явлений, объединенных названием антропогенные факторы:
- изменение численности организмов; - переселение организмов;
- изменение среды обитания организмов.
Начало действию этих факторов было положено на заре появления НOMO SAPIENS, когда древние люди начали собирать растения и охотиться на животных. Естественная растительность заменялась при этом культурной,
животные одомашнивались. Начался селекционный отбор. Начала изменять-ся природа.
Гумбольдт А. В Х1Х веке написал: «Человеку предшествуют леса, а сопровождает его пустыня». Человек начал сознательно расселять, пересе-лять и акклиматизировать новые для данной местности виды растительности и животных, иногда нанося вред экосистеме. Например, в Белоруссию завез-ли дальневосточную енотовидную собаку, при этом резко сократилось число гнездящихся на земле птиц, вслед за этим резко возросло число колорадского жука, в результате резко упали урожаи картофеля и томатов и т.д.
Регионы техносферы и территории, примыкающие к очагам техносферы, постоянно подвергают загрязнению атмосферный воздух вредными для че-ловека веществами и их соединениями. В некоторых городах концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе превысили 10 предельно допусти-мых концентраций для этих веществ. Например, для Братска характерны загрязнения бенз(а)пиреном (сильный канцероген) , формальдегидом, серо-углеродом; в Иркутске – это диоксид азота, бенз(а)пирен, формальдегид; в Магнитогорске – бенз(а)пирен, сероуглерод; в Москве – формальдегид, бен-зол, диоксид азота; в Омске – аммиак и формальдегид. Высокие концентра-ции некоторых веществ в атмосфере приводят к нежелательным последстви-ям: фотохимическому смогу, к разрушению озонового слоя Земли, к выпа-дению кислотных дождей, к возникновению парникового эффекта.
Кислотные дожди. Проблема кислотных дождей возникла в 80-е годы. Источниками их являются газы, содержащие серу и азот. Наиболее важные из них: SO2, NOx, H2S. Основные реакции, при которых появляются сер-ная и азотная кислоты, следующие:
S O2 + OH → HS O3
HS O3 + OH → H2 S O4
или
S O2 + hí → S O2(активирванная молекула) S O2 + O2 → S O4
S O4 + O2 → S O3 + O3 S O3 + H2O → H2 S O4
Соединения серы и азота, поступая в атмосферу, вступают в химические реакции не сразу, а иногда через 2-8 суток. При этом вместе с атмосферным воздухом серная и азотная кислоты могут «пройти» расстояние до 2000 км от источника выбросов и лишь затем выпасть с кислотными осадками на землю.
Различают прямое и косвенное влияние кислотных осадков. Прямое влияние большой опасности человеку не представляет, так как концентрация кислот в воздухе при этом не превышает ПДК. Опасными такие дожди могут быть лишь детям и больным-астматикам. Прямое воздействие слабых кислот
может сказаться на металлоконструкциях (коррозия) и на зданиях и памятни-ках (взаимодействие с карбидом кальция).
Наиболее опасно попадание кислотных осадков в водоемы и в почву. Попадание кислоты в водоемы, понижает рН воды (рН=7 – нейтральная сре-да), от кислотности зависит растворимость в воде тяжелых металлов, кото-рые по трофическим цепям и непосредственно с водой могут попасть в орга-низм человека. В России осадки с рН=4.0 – 4.5 (очень кислые) наблюдаются в Тюмени, Архангельске, Вологде, Тамбове, Омске.
Парниковый эффект. Состав атмосферы определяет величину солнеч-ной радиации в тепловом балансе Земли. Экранирующая роль атмосферы по-зволяет поддерживать среднюю температуру биосферы на уровне + 15 град. С, тогда как без атмосферы средняя температура биосферы была бы около – 15 град. С. Основная доля солнечной радиации передается к поверхности Земли в оптическом диапазоне, а отраженная – в инфракрасном спектре. Ба-ланс зависит от наличия в атмосфере газов: CO2, H2O, C H4, O3 и пы-ли. Чем выше концентрация газов, тем меньше доля отраженной солнечной радиации уходит в космос, тем больше теплоты задерживается в биосфере. В последние годы в связи с развитием теплоэнергетики, автотранспорта, быто-вой химии резко стали возрастать концентрации газов в атмосфере. Это очень опасно для островных стран, парниковый эффект ведет к потеплению климата, а это повлечет за собой таяние вечных ледников. По прогнозам к 2050 году уровень моря может подняться на 25-40 см, а к 2100 году – на 2 м. Это приведет к затоплению 5 млн. км2 суши (30% всех урожайных земель).
Парниковый эффект может наблюдаться и на региональном уровне. Ан-тропогенные источники, сконцентрированные в крупных городах, создают около городов в радиусе около 50 км зоны с повышенными на 1-5 град.С температурами. Эти зоны хорошо просматриваются со спутников.
Разрушение озонового слоя.
Озоновый слой - это воздушный слой в верхних слоях атмосферы (стра-тосфере) состоящий из особой формы кислорода - озона. Молекула озона со-стоит из трех атомов кислорода (О3). Озоновый слой начинается на высотах около 8 км над полюсами (или 17 км над Экватором) и простирается вверх до высот приблизительно равных 50-ти км. Однако плотность озона очень низ-кая, и если сжать его до плотности, которую имеет воздух у поверхности земли, то толщина озонового слоя не превысит 3,5 мм. ("Reporting on Climate Change"). Озон образуется, когда солнечное ультрафиолетовое излучение бомбардирует молекулы кислорода (О2 —> О3).
Так как озоновый слой поглощает ультрафиолетовое излучение, то его разрушение приведет к более высоким уровням ультрафиолетового излуче-ния на поверхности земли. Это, в свою очередь, вызовет увеличение случаев
рака кожи. Другим следствием повышенного уровня ультрафиолетового из-лучения станет разогрев поверхности земли и, вследствие этого, изменение температурного режима, режима ветров и дождей и повышение уровня моря.
Впервые о нарушении целостности озонового слоя сообщили в 1985 го-ду британские ученые, По их данным в предшествующие восемь лет были обнаружены увеличивающиеся каждую весну озоновые дыры над Северным и Южным полюсами.
Ученые предложили три теории, объяснявшие причины этого феномена:
1. разрушение озонового слоя окисями азота - соединениями, образую-щимися естественным образом на солнечном свету;
2. воздушные потоки из нижних слоев атмосферы при движении вверх расталкивают озон
3. соединения хлора в атмосфере разрушают озон.
Ученые пришли к заключению, что соединения хлора, называемые хлорфторуглеродами (ХФУ), которые широко использовались в промышлен-ности и в быту, несут основную ответственность за разрушение озонового слоя земли. Некоторые виды хлорфторуглеродов использовались в качестве охладителей в холодильных установках и кондиционерах. Другие ХФУ при-менялись для производства поролонов и пенопластов - материалов, широко используемых во многих потребительских товарах, начиная от одноразовой пенопластовой посуды и заканчивая изоляционными материалами. Хлорфто-руглероды нашли широкое применение в баллонах для распыления аэрозо-лей и в качестве веществ для промывания электрооборудования.
Одна молекула хлора может разрушить 105 молекул озона! Источниками хлора и азота являются также атомные взрывы, военные
самолеты, ракеты.
Влияние на озоновый слой оказывают также фреоны, продолжитель-ность жизни которых около 100 лет. Источниками фреонов являются холо-дильные агрегаты и бытовые распылительные баллончики.
По оценкам ученых разрушение озонового слоя в 1974 годы достигло 0.4-1%; к 2010 году прогнозируется разрушение уже 3%; к 2050 – 10%. Ядер-ная война может сразу уменьшить озоновый слой на 70%.
Фотохимический смог.
Иная проблема, связанная с озоном, но не связанная с разрушением озо-нового слоя - это фотохимический смог. Озон в нижних слоях атмосферы (тропосфере) является загрязняющим веществом. Он образуется на свету при реакции оксидов азота с углеводородами. Озон в тропосфере снижает продуктивность сельскохозяйственных культур. Он замедляет фотосинтез в растениях и ослабляет их. По оценкам специалистов, в США ежегодные по-
тери кукурузы, пшеницы, соевых бобов и арахиса вызванные озоном дости-гают от 1.9 до 4.5 миллиардов долларов. В дополнение озон ускоряет процесс разрушения резиновых изделий, текстиля и покрытий
Химия фотохимического смога достаточно сложная, но в упрощенном виде может быть представлена следующими уравнениями:
NO2 + hí → NO +O O2 +O → O3
................................
Cm Hm +O3 ПАН
ПАН – пероксиацилнитраты
Смог очень токсичен, в его состав входят О3- озон в количестве 60-75%; ПАН; Н2О2 – до 20%. Для образования смога необходимо в солнечную пого-ду наличие оксидов азота и углеводородов, которые выбрасываются авто-транспортом и промышленными предприятиями. Наиболее вероятное время суток для образования смога – 11-14 часов дня. Воздействие смога на расти-тельность и человека приведена в таблице 5.1.
Таблица 5.1 – Воздействие фотохимического смога на растительность и человека /1/
|
Концентрация оксидантов, мкг/куб. м |
Экспозиция, час |
Эффект воздействия |
||||||
|
100 |
4 |
Повреждение растительности |
||||||
|
200 |
4 |
Раздражение глаз |
||||||
|
250 |
24 |
Обострение респираторных заболеваний |
||||||
Фотохимический смог или еще его называют Лос-анжелесский тип смога возникает, как правило, летом при интенсивном воздействии солнеч-ной радиации на воздух, насыщенный, а вернее перенасыщенный выхлопны-ми газами автомобилей. В Лос-Анджелесе, выхлопные газы более четырех миллионов автомобилей выбрасывают только оксидов азота в количестве бо-лее чем тысяча тонн в сутки. При очень слабом движении воздуха или без-ветрии в воздухе в этот период идут сложные реакции с образованием новых высокотоксичных загрязнителей — фотооксидантов (озон, органические перекиси, нитриты и др.), которые раздражают слизистые оболочки желу-дочно-кишечного тракта, легких и органов зрения. Только в одном городе (Токио) смог вызвал отравление 10 тыс. человек в 1970 г. и 28 тыс. — в 1971 г. По официальным данным, в Афинах в дни смога смертность в шесть раз выше, чем в дни относительно чистой атмосферы. В некоторых наших горо-дах (Кемерово, Ангарск, Новокузнецк, Медногорск и др.), особенно в тех, которые расположены в низинах, в связи с ростом числа автомобилей и уве-
личением выброса выхлопных газов, содержащих оксид азота, вероятность образования фотохимического смога увеличивается.
Различают другой типа смога: зимний смог (лондонский тип). Лондон-ский тип смога возникает зимой в крупных промышленных городах при не-благоприятных погодных условиях (отсутствие ветра и температурная ин-версия). Температурная инверсия проявляется в повышении температуры воздуха с высотой в некотором слое атмосферы (обычно в интервале 300-400 м от поверхности земли) вместо обычного понижения. В результате цирку-ляция атмосферного воздуха резко нарушается, дым, и загрязняющие веще-ства не могут подняться вверх и не рассеиваются. Нередко возникают тума-ны. Концентрации оксидов серы, взвешенной пыли, оксида углерода дости-гают опасных для здоровья человека уровней, приводят к расстройству кро-вообращения, дыхания, а нередко и к смерти. В 1952 г. в Лондоне от смога с 3 по 9 декабря погибло более 4 тыс. человек, до 10 тыс. человек тяжело забо-лели. В конце 1962 г. в Руре (ФРГ) смог убил за три дня 156 человек. Рассе-ять смог может только ветер, а сгладить смогоопасную ситуацию — сокра-щение выбросов загрязняющих веществ.
5.4. Адаптация живых организмов к экологическим факторам
Живые организмы по разному могут приспособиться к изменяющимся ус-ловиям среды их обитания. У одних животных требования к условиям жизни более широкие, у других – более узкие. Например, хариус может жить в проточной чистой пресной воде с большим содержанием растворен-ного кислорода, в то время как карась может жить и в стоячей воде, зарыва-ясь в неблагоприятные дни в ил, а корюшка может жить как в пресной, так и в соленой воде.
Растения по отношению к воде бывают влаголюбивыми (гигрофиль-ными) – кувшинка, предпочитающими умеренную влажность (мезофиль-ными) – ель и сухолюбивыми (ксерофильными) – верблюжья колючка.По отношению к температуре живые существа также различаются. Виды с ши-рокой амплитудой изменения допустимой температуры относится к эври-термным («эври» – «широкий», греч.) видам (Рис. 5.1, кривая 1). Виды 2 и 3 (Рис. 5.1, кривые 2 и 3). относятся к стенотермным («стенос» – узкий) ви-дам, причем вид 2 – к криофильным, а вид 3 – к термофильным. Вид 1 раз-вивается в очень широком диапазоне температур, причем
наиболее оптимальные условия – максимум кривой - как правило, находит-ся в средней части области. На краях кривой расположены пограничные ус-ловия, которые называют пессимальными. В пессимальных условиях сни-жается активность, упитанность, плодовитость и др. Для некоторых условий
важными являются не только значение характеристики среды, но и скорость колебаний характеристик. Например, гусеницы при резком охлаждении от 15 до –20 град погибают, а при медленном - могут охлаждаться до –100 град. С, затем, медленно согреваясь, вернуться вновь к жизни.
Способность вида к адаптации (приспосабливаемость к изменениям ус-ловий жизни) называется экологической валентностью (пластичностью). Чем выше пластичность, тем выше приспособляемость к жизни. Воробей, например, пластичнее соловья; а лось - пластичнее кабана.
Эволюционно выработанные и наследственно закрепленные способности живых организмов приспосабливаться в условиях динамичности экологических факторов называется адаптацией.
Виды адаптации:
1. Морфологические адаптации. Растения, растущие в пустыне, как прави-ло, лишены листьев; животные плавающие имеют на лапах перепонки и др.
2. Физиологические адаптации. Животные, питающиеся определенной пищей, имеют различный ферментарный состав в пищеварительном трак-те;
3. Поведенческие (этологические) адаптации. Возможно потребительское поведение животных: создание жилищ, передвижение с целью выбора наиболее хороших условий жизни; брачные игры для продолжения рода; резкие движения для отпугивания хищников и др.
Контрольные вопросы к теме 5:
1. Что такое «экологический фактор»?
2. Является ли для человека экологическим фактором концентрация кисло-рода в воздухе?
3. Является ли для человека экологическим фактором механический состав почвы?
4. В каком диапазоне давления может жить человек?
5. Как называется область наиболее благоприятных значений фактора? 6. Что такое «пессиум»?
7. Какой закон вывел Ю. Либих?
8. Какова современная формулировка закона Либиха? 9. Что такое «толерантность»?
10.Чем толерантней организм, тем он (более или менее?) распространен на планете .
11.О чем говорит закон квантитационной компенсации? 12.Что такое «лимитирующий фактор»?
13.Дайте определение экологической ниши.
14.Чем грозит выход условий за границы экологической ниши? 15.Каковы границы экологической ниши человека по температуре?
16.Каковы границы экологической ниши человека по атмосферному давле-нию?
17.Что такое адаптация?
18.Перечислите абиотические факторы природной среды. 19.Как влияет на жизнедеятельность человека видимый свет?
20.Какую функцию выполняет в атмосфере азот, кислород, озон?
21.Как адаптируются живые организмы (растения, животные) к недостатку кислорода?
22.Приведите пример применения правила Бергмана в животном мире. 23.Приведите пример применения правила Аллена в животном мире. 24.Какой из почвенных слоев (пластов) является плодородным? 25.Что является основной химической составляющей почвы? 26.Приведите пример гомотипической коакции?
27.Какие из биотических отношений свойственны для человека? 28.В каких отношениях находятся человек и таракан?
29.В каких отношениях находятся человек и корова?
30.С какими животными человек может находиться в отношении форезии? 31.Что такое экологическая валентность?
32.Назовите виды адаптации?
33.Приведите пример физиологической адаптации.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему