Лекция №3. Тема 2.1.Понятие и содержание экологии окружающей среды

Тема 2.1. Понятие и содержание экологии окружающей среды.

1. Численность и структура популяций

2. Наличие и концентрация биогенных элементов

3. Объем и качество пищи.

1. Численность и структура популяций

Экологические факторы – факторы среды, которые воздействуют на организмы и вызывают у них приспособительные реакции. Изучением этих проблем занимается один из разделов экологии, который называется аутэкология. Мы лишь частично мы затронули проблему взаимоотношения особей одного вида и разных видов друг с другом, рассматривая вопрос о биотических отношениях. Рассматривая вопрос о взаимоотношениях особей одного вида, мы продолжим заниматься изучением проблем аутэкологии. И речь пойдет о популяциях.

Понятие «популяция»

Вплоть до настоящего времени нет четкого определения понятия «популяция», которое бы удовлетворяло потребностям различных биологических направлений. Причиной этого является то, что генетики в понятие «популяция» вкладывают свой конкретный смысл (как совокупность свободно скрещивающихся особей), систематики подходят с позиций морфофункционального единства, биогеографы – с позиций исторически обособленной группы организмов, характерной для конкретного ландшафта или группы ландшафтов, и т.д. С другой стороны, понятие «популяция» строится в зависимости от применяемого подхода к ее изучению. В-третьих, и что, пожалуй, основное, споры ведутся о том, что же является наименьшей структурной единицей вида, ибо популяции могут подразделяться на микропопуляции или объединяться в более крупные популяционные системы. Мы с вами подойдем к определению понятия «популяция» с экологической точки зрения. Однако будем помнить, современный эколог должен обязательно учитывать популяцию не просто как некое сообщество особей одного вида, но и как строго организованную в структурном и функциональном плане единицу вида как в пространстве, так и во времени.

Популяцией в экологии называют совокупность особей одного вида, находящихся во взаимодействии между собой и населяющих общую территорию. Члены популяции оказывают друг на друга не меньшее воздействие, чем физико-химические факторы среды или обитающие рядом организмы других видов. Поскольку контакты между особями одной популяции происходят чаще, чем между особями разных популяций, то именно внутривидовые отношения являются более напряженными, чем межвидовые.

Динамика численности популяций.

То, как по мере старения снижается численность особей одного возраста в популяции, показывает кривая выживания. Известны три основных типа кривых выживания. Кривая I соответствует популяции, большинство членов которой доживает до возраста, близкого к максимально возможному для данного вида (крупные млекопитающие). Кривая II отражает равную вероятность гибели особей в любом возрасте (птицы и пресмыкающие). Кривая III соответствует очень высокой смертности в раннем возрасте; для особей, переживших этот период, вероятность смерти низка (многие растения, беспозвоночные, рыбы). В популяциях большинства видов животных и растений численность более или менее постоянна, но у некоторых видов она подвержена значительным колебаниям, иногда весьма регулярным, например, у полевок, леммингов, рыб, некоторых насекомых.

Скорость роста популяции.

Определяется биологическим потенциалом, т.е. индивидуальными особенностями вида. Любая популяция теоретически способна к неограниченному росту численности, если ее не лимитируют факторы среды.

Динамика численности популяции во времени.

Определяется соотношением показателей рождаемости и смертности особей, а также их иммиграцией и эмиграцией.

Факторы, действующие на численность популяции, экологи делят на две группы: первичные (ультимативные) и вторичные (сигнальные). К первичным факторам среды относятся: пища, конкуренты, паразиты, хищники, загрязнение и небиологические – температура, солевой состав (для гидробионтов), газовый состав атмосферы, осадки, климат. Действие ультимативных факторов прямое и неизбежное. Вторичные факторы косвенно указывают виду на избыточность его численности.

Половая структура популяции.

Численное соотношение полов, т.е. половой состав, и особенно доля размножающихся самок в популяции, имеет большое значение для дальнейшего роста ее численности. Соотношение полов зависит, прежде всего, от биологии вида и сильно различается у моногамных (самец за сезон спаривается с одной самкой) и полигамных животных. Для первых (например, журавли, лебеди) нормой является соотношение полов 1:1. Для вторых (например, морские котики, павианы) типично преобладание самок. Среди моногамных животных почти постоянно имеются «резервные» самцы. Это уже половозрелые, но еще не размножающиеся животные; они представляют собой репродуктивный резерв популяции.

Неравномерность гибели разных полов, неодинаковая их выживаемость распространены среди животных. Как правило, более жизнеспособными являются самки.

В молодом возрасте самки и самцы различаются поведением. Самцы обычно более подвижны, менее привязаны к убежищам, поэтому чаще становятся жертвами хищников и непогоды.

При неблагоприятных условиях, когда популяция находится в депрессии, выживаемость самок резко возрастает и процент женских особей сильно превышает норму. Это явление имеет важное адаптивное значение, поскольку именно от самок зависит восстановление подорванной популяции.

Экологические и поведенческие различия между особями мужского и женского пола могут быть сильно выражены. Так, самцы комаров питаются нектаром растений и слизывают росу, а самки являются кровососущими.

Но даже если образ жизни самцов и самок сходен, они различаются по многим физиологическим признакам: темпам роста, срокам полового созревания, устойчивостью к климатическим изменениям, голоданию и т.д.

Возрастная структура популяций.

В каждом возрасте требование особей к среде и устойчивость к отдельным факторам заметно различаются. На ранних стадиях особи, как правило, более чувствительны к любым неблагоприятным факторам, а в зрелом возрасте они обычно выносливее. Кроме того, на разных стадиях жизненного цикла могут происходить смены сред обитания, типов адаптаций, характера передвижения, общей активности. Часто возрастные экологические различия в пределах вида выражены значительно сильнее, чем различия между видами. Так, сидящие на морском дне моллюски и морские ежи и их пелагические личинки; травяные лягушки на суше и их головастики в водоемах, гусеницы и бабочки – это всего лишь разные стадии онтогенеза одних и тех же видов.

Возрастная структура у многих видов отличается большой сложностью. Так, в популяциях растений выделяют четыре возрастные фазы:

1) латентный период – фаза первичного покоя. В эту группу входят семена, плоды и другие зачатки растений;

2) виргинильный (девственный или юношеский) период, охватывающий группу растений в период от прорастания зачатков до образования генеративных органов;

3) генеративный период – фаза размножения семенами или другими разносимыми зачатками, т.е. время полового размножения;

4) сенильный, или старческий, период, к которому принадлежат особи, закончившие половое размножение и способные только вегетировать.

На каждом возрастном этапе особи растений характеризуются определенными отношениями со средой. Они выражаются в различиях питания, строении и размерах вегетативного тела, протекании биохимических процессов и т.д.

Среди животных различают следующие возрастные группы:

1) новорожденные (до момента прозревания);

2) молодые – подрастающие особи, не достигшие половой зрелости;

3) полувзрослые – особи, близкие к половой зрелости;

4) взрослые – половозрелые животные, которые уже размножаются или физиологически способны к этому;

5) старые – переставшие размножаться особи, они часто играют заметную роль в жизни популяций, охраняя, воспитывая молодняк.

У долгоживущих и размножающихся многократно видов возникает относительно устойчивая структура популяции с длительным существованием различных поколений. У видов с непродолжительным периодом взрослого состояния ежегодно сменяется значительная часть популяции. Численность такой популяции неустойчива и может резко различаться в отдельные годы, а возрастная структура популяции сильно варьирует (полевка-экономка).

Возрастной состав популяции определяется несколькими причинами, среди которых можно указать на время достижения половой зрелости, общую продолжительность жизни, длительность периода размножения, продолжительность жизни поколения, частоту приплода, смертность, тип динамики численности.

Возрастная структура популяции является весьма неустойчивой характеристикой.

Пространственная структура популяций.

Занимаемое популяцией пространство предоставляет ей средство к жизни. Каждая территория или акватория может прокормить лишь определенное число особей. Однако полнота использования ресурсов зависит не только от общей численности особей популяции, но и от их размещения в пространстве. Это хорошо видно на примере растений, «жизненная территория» которых не может быть меньше некоторой предельной величины (злаки – 25–30 см2). Перехватывая корнями питательные вещества и воду, выделяя активные вещества, каждое растение распространяет свое влияние на определенную территорию, поэтому оптимальным для популяции является такой интервал между соседними особями, при котором они не влияют отрицательно друг на друга.

Равномерное упорядоченное распределение особей на занимаемой территории в природе встречается редко. В каждом конкретном случае тип распределения в занимаемом пространстве оказывается приспособительным, т.е. позволяющим оптимально использовать имеющиеся ресурсы.

У подвижных животных имеются разнообразные способы упорядочивания распределения в пространстве. Эти животные делятся на две основные группы – оседлых и кочевых. При оседлом существовании животные в течение всей или большей части жизни используют довольно ограниченный участок среды. Этот образ таит в себе угрозу быстрого истощения ресурсов, поэтому у оседлых животных выработались приспособления, которые обеспечивают разграничения мест обитания отдельных особей или других внутрипопуляционных группировок.

У оседлых видов пространственная структура популяции может быть диффузной, мозаичной, пульсирующей или циклической. В популяциях диффузного типа животные в пространстве распределены дисперсно, не образуя обособленных поселений. Этот тип структуры характерен для мелких млекопитающих открытых пространств (пустынь, степей).

Мозаичный тип размещения возникает тогда, когда пригодные для заселения места распределены в пространстве резко неравномерно (колонии кротов встречаются на луговинах и опушках леса).

Пульсирующий тип характерен для популяций с резким колебанием численности. В годы депрессий популяция состоит из обособленных поселений, в годы подъема – занимает всю пригодную территорию.

Циклический тип пространственной структуры характерен для оседлых животных, попеременно использующих разные участки в течение года (например, лемминги зимуют на сухих прибрежных возвышенностях, а летом переселяются на разнотравно-злаково-лишайниковые участки).

Циклический тип освоения территории оседлыми животными сходен с использованием ресурсов кочевыми популяциями. Наиболее заметно кочевничество у тех млекопитающих, образ жизни которых требует обширных пространств, - слонов, медведей, копытных и т.д.

Как видно, пространственная структура популяций очень динамична. Она подвержена сезонным и другим адаптивным перестройкам. Однако масштабы возможных изменений и тип использования территории определяются биологическими особенностями вида.

Этологическая структура популяций животных.

Закономерности поведения животных изучает наука этология. Формы совместного сосуществования в популяции чрезвычайно различны.

При одиночном образе жизни особи популяции независимы и обособлены друг от друга. Однако такое поведение характерно для многих видов лишь на определенных стадиях жизненного цикла. Они часто образуют временные агрегации в местах зимовок, в период, предшествующий оплодотворению.

При семейном образе жизни усиливается связь между родителями и потомством. Например, у птиц забота о птенцах продолжается до поднятия их на крыло; у некоторых млекопитающих детеныши воспитываются в семейных группах в течение нескольких лет.

Семья у животных основана не только на половом инстинкте и необходимости совместной заботы о потомстве, но и на территориальной общности. Своеобразной семьей является львиный прайд. Основу прайда составляют львицы, они охотятся, выращивают львят. Обычно в прайд входят несколько львиц и их детеныши, 2–3 молодых самца и обязательно доминирующий самец. Он не всегда самый крупный или самый сильный, но остальные самцы признают его главенство, а он, в свою очередь, терпит их присутствие. Состарившихся и больных львов прайд не защищает, а изгоняет.

Внутривидовые группировки – стаи, стада, колонии, гаремы. Абиотические условия в большинстве случаев одинаково действуют как на одиночную особь, так и на группу. Иначе влияют на индивида и группу индивидов биотические факторы.

Стаи – подвижные, обычно временные объединения. Скопления животных часто связаны с местами изобилия пищи или достаточно надежными убежищами.

Стада – более длительные и постоянные объединения животных. Они включают особей одного вида, которые сохраняют какое-либо время близость друг к другу, сходно себя ведут, нередко характеризуются одинаковым ритмом активности. Основой группового поведения в стадах являются взаимоотношения доминирования – подчинения.

Колонии – это групповое поселение оседлых животных. Они могут быть длительными или возникать лишь на период размножения (птицы – чайки, гагары и др.).

Гарем – небольшая устойчивая группа размножающихся полигамных животных (серый тюлень, морской котик, кашалот).

2. Наличие и концентрация биогенных элементов.

Химические элементы, необходимые для существования и жизнедеятельности живых организмов. Важнейшими биогенными элементами являются кислород (составляет около 70 % массы организмов), углерод (18 %), водород (10 %), азот, а также кальций, калий, кремний, магний, фосфор, сера, натрий, хлор, железо. Их среднее содержание - более 0,01 % биомассы. Все вышеперечисленные биогенные элементы составляют группу макроэлементов.

Цинк, медь, мышьяк, марганец, бор, фтор, ванадий, бром, молибден, селен, радий и некоторые др. Биогенные элементы относятся к микроэлементам. Они присутствуют в организме в низких концентрациях: от 10 "4-10"(для большинства элементов) до 10~12 % (для радия).

В состав растительных организмов входят почти все элементы периодической системы Д. II. Менделеева, причем 99,76 % массы живого вещества приходится на кислород, углерод, водород, азот, кальций, фосфор, калий, серу и магний, а 0,24 % - на долю остальных элементов.

Кислород, водород и углерод растения усваивают из почвы и атмосферы. Большая часть азота усваивается из атмосферы благодаря деятельности азотфиксирующих бактерий. Остальные элементы в основном поступают в растения из почвы.

Биогенные элементы участвуют в ферментативных реакциях организма, регулируют осмотические процессы, являются основными частями буферных систем и регуляторами проницаемости биологических мембран. Так, медь входит в состав ферментов, ускоряющих окислительные процессы в растительном организме. Молибден играет большую роль в усвоении растениями нитритного азота. Литий стимулирует процессы дыхания, повышает гидрофильность коллоидов плазмы. Цинк активно участвует в азотном обмене и гидролизе крахмала. Кобальт интенсифицирует процессы дыхания и фотосинтеза. Медь и никель необходимы для семенного размножения растений. Микроэлементы входят в состав витаминов, гормонов, хлорофилла, белков, углеводов, жиров и др. биологически важных соединений.

Различные виды растений в одних и тех же ландшафта о геохимических условиях накапливают разные количества одного и того же элемента. Напр., в лесах Сибири содержание молибдена в золе брусники в 5 раз выше, чем в золе лиственницы и сосны кедровой сибирской. Почки и др. интенсивно растущие молодые органы накапливают высокие концентрации Б. э., что связано с интенсивностью синтеза белковых веществ. Наибольшее количество биогенных элементов содержат листья. Разница в содержании одного и того же элемента в различных органах растения может достигать 5-10 раз и более. При старении растения способность к поглощению элементов из окружающей среды снижается.

Содержание химических элементов в растениях зависит также от содержания элементов в почве. В районах распространения известняков растения содержат больше кальция, в приморских районах - йода, на рудных месторождениях - меди, цинка, свинца и др. рудных элементов. Известны растения, являющиеся концентраторами биогенных элементов. Напр.: бобовые энергично накапливают кальций и магний; злаки, осоки, хвощи - кремний; гречиха, картофель, свекла, кукуруза - калий; солянки - натрий и хлор; растения семейства гвоздичных - медь; осина - кобальт; береза и пихта - марганец; фейхоа - йод и т. п.

Передвижение биогенных элементов с момента поглощения растением до возвращения в почву (при разложении лесной подстилки) называется биологическим круговоротом. Показателем биологического круговорота в лесах служит содержание биогенных элементов в биологической массе леса, в ежегодном приросте деревьев, опаде, отпаде и т. д. Напр., установлено, что в ельниках южной тайги в расчете на 1 га ежегодно с опадом в почву возвращается 20-45 кг азота, 8-17 кг кремния, 17—14.1 кг кальция.

Недостаток или избыток биогенных элементов в окружающей среде приводит к заболеваниям, а иногда и гибели организма. Наиболее частым симптомом недостатка биогенных элементов в древесных растениях является хлороз, вызываемый нарушением синтеза хлорофилла.

В районах действия обогатительных фабрик и металлургических заводов наблюдается образование поясов с повышенным содержанием ряда биогенных элементов в почве и растениях. Особую опасность для растений представляют соединения фтора, хлора, диоксид серы и аммиак. Ответная реакция лесной растительности на промышленное загрязнение выражается разной степенью деградации леса. При этом наблюдается подавление роста древостоев, обеднение видового разнообразия травяно-кустарничкого и, особенно, мохово-лишайникового ярусов, сокращение фитомассы, упрощение структурного разнообразия по градиенту загрязнения, снижение запаса подстилки. Процесс деградации у хвойных деревьев выражается в хлорозе хвои за счет снижения содержания хлорофилла, сокращении продолжительности жизни хвои и скелетных ветвей, снижении прироста побегов и радиального роста ствола и, как следствие, - уменьшении продуктивности древостоев.

3. Объем и качество пищи

Сегодня главная проблема человечества - это ограниченные ресурсы на фоне быстрого роста населения Земли. Рост населения опережает процессы восстановления ресурсов Земли. Человечество уже сейчас при численности населения в 6 млрд. человек находится в фазе ресурсного кризиса. Ресурсов не только не хватает на всех, но они еще распределены очень неоднородно.

Кроме того, рост населения является критическим фактором угрозы окружающей среде. Чем больше нас, тем больше мы разрушаем, загрязняем и потребляем.

Согласно современным археологическим данным, в начале неолита (порядка 10000 лет назад) на планете жило около 10 миллионов человек.

Во время Христа население Земли составляло ~300 млн. чел.

В 1650 году, условному началу промышленной революции, на Земле, по оценкам, было примерно 500 млн. человек.

Более достоверные статистические данные о населении Земли можно найти примерно с 1800 года, они показывают, что за последние почти два столетия население возрастало с ускорением.

На первое удвоение численности потребовалось 2500 лет, на второе - 2000, на третье - 1500,..., на восьмое - 100 лет (с 1850 по 1950 годы численность возросла с 1,25 миллиарда человек до 2,5 миллиардов), девятое -37 лет (в 1987 году нас было 5 миллиардов). Если продолжить эту тенденцию, то следующее удвоение до 10 миллиардов ожидалось где-то в 2010 году, в 2100 году ожидается около 54 миллиардов.

Увеличение от одного миллиарда человек до двух миллиардов произошло за 104 года, прирост следующего миллиарда жителей Земли произошел за 36 лет, последующего - за 16 лет, от 4 до 5 млрд. человек народонаселение всех стран увеличилось за 9 лет.

Ежедневно рождаются еще 250 тысяч человек, которых нужно накормить и предоставить жилье. Если эта тенденция сохранится, то, по прогнозам, уже в 2030 году население Земли достигнет 9 млрд человек.

Трудно представить себе, что будет дальше, и если человечество не найдет конструктивного решения проблемы, пищевой кризис - реальная перспектива.

Уже сейчас продовольственная проблема на нашей планете сильно беспокоит ученых. Некоторые народы уже почувствовали эту проблему в полную силу.

Ученые посчитали, что на Земле могут жить, не испытывая голода и не принося вреда природе, только 5 миллиардов человек. Тогда как нас уже сейчас более шести.

При этом регионы с наибольшей плотностью населения часто не совпадают с местами, где сельское хозяйство наиболее развито. Например, в странах Европы, Северной Америки, Австралии, где производится до 60% пищевых ресурсов, проживает всего 30% населения Земли, тогда как для Восточной Азии это соотношение составляет соответственно 28 и 53%.

Существует проблема перенаселенности определенных территорий. Она определяется соотношением плотности населения с имеющимися на данной территории ресурсами, необходимыми для существования. Например, плотность населения Нидерландов, страны с высоким уровнем развития сельского хозяйства, составляет более 1000 человек на 1 км2, тогда как для многих стран Африки, находящихся на грани голода, этот показатель не превышает 100.

Производство продовольствия для прокорма всего населения мира - одна из многих проблем пищевых ресурсов.

Другой важной проблемой является качество пищи, наличие в ней необходимых организму белков, витаминов и минералов. Кроме того, нужны обширные складские помещения под пищевые продукты, что уберечь ресурсы от гниения и вредителей.

Продовольственная проблема имеет глобальный характер и в силу своей гуманистической значимости, и в силу своей тесной связи со сложной задачей преодоления социально-экономической отсталости бывших колониальных и зависимых государств. Неудовлетворительное обеспечение продовольствием значительной части населения развивающихся стран является не только тормозом прогресса, но и источником социальной и политической нестабильности в этих государствах и мире в целом. Действительно, многие из развивающихся стран настолько бедны, а условия международной торговли для них так неблагоприятны, что зачастую им ничего не остается, как продолжать вырубать редкие леса, позволять скот вытаптывать пастбища, допускать перенос «грязных» производств и т. д., не заботясь о будущем. Именно в это заключается первопричина таких процессов как опустынивание, обезлесение, деградация почв, сокращение видового состава фауны и флоры, загрязнение воды и воздуха.

Бедственное положение большинства развивающихся стран стало крупнейшей общечеловеческой, общемировой проблемой.

Высказываются оптимистические надежды на научно-технический прогресс, который якобы может «обогатить» сельскохозяйственные угодья, повысить урожайность растений, создать оазисы в пустынях и так далее. Однако, расчеты специалистов, проведенные еще в 1990 году, показали, что в лучшем случае объем пищевых ресурсов Земли можно удвоить, но не более того. Все определяется количеством солнечной энергии, попадающей на земную поверхность.

Контрольные вопросы

1. Каково место популяций в биоте Земли?

2. Что отражают динамические показатели популяции?

3. Каковы экологические причины, вызывающие рост численности популяции?

4. Почему на рубеже ХХ и ХХI вв. человечество все острее начало ощущать проблемы не регионального, а глобального характера?

5. В чем особенность продовольственной проблемы в развитых странах?

6. Каковы пути решения продовольственной проблемы?

7. В чем заключается суть демографической проблемы?

http://abc.vvsu.ru

http://www.grandars.ru

http://environments.land-ecology.com.ua/component/content/article/140-interesnoe-osnovy-ekologii/1660-populyacziya-i-ee-osnovnye-xarakteristiki.html