Основы биологии

Виды воздействия экологических  факторов на организмы. Экологические  факторы оказывают на живые организмы  воздействия разного рода. Они  могут являться:

раздражителями, которые  способствуют появлению приспособительных (адаптивных) физиологических и биохимических  изменений (зимняя спячка, фотопериодизм);

ограничителями, изменяющими  географическое распространение организмов из-за невозможности существования  в данных условиях;

модификаторами, которые  вызывают морфологические и анатомические  изменения организмов;

сигналами, свидетельствующими об изменениях других факторов среды.

Лимитирующие (ограничивающие) факторы – это

1)любые факторы, тормозящие  рост популяции в экосистеме; 2)факторы среды, значение которых  сильно отклоняется от оптимума.

При наличии оптимальных  сочетаний множества факторов один лимитирующий фактор может привести к угнетению и гибели организмов. Например, теплолюбивые растения погибают при отрицательной температуре  воздуха, несмотря на оптимальное содержание элементов питания в почве, оптимальную  влажность, освещенность и так далее. Лимитирующие факторы являются незаменимыми в том случае, если они не взаимодействуют  с другими факторами. Например, недостаток минерального азота в почве нельзя скомпенсировать избытком калия  или фосфора.

Лимитирующие факторы  для наземных экосистем:

- температура;

- вода;

- свет;

- питательные вещества  в почве.

Лимитирующие факторы  для водных экосистем:

- температура;

- солнечный свет;

- содержание растворенного  кислорода;

- соленость.

Обычно эти факторы  взаимодействуют таким образом, что один процесс ограничен одновременно несколькими факторами, и изменение  любого из них приводит к новому равновесию. Например, увеличение доступности  пищи, и уменьшение давления хищников могут привести к возрастанию  численности популяции.

Примерами ограничивающих факторов являются: выходы неразмываемых пород, базис эрозии, борта долины и др.

Так, фактором, ограничивающим распространение оленей, является глубина  снежного покрова; бабочки озимой совки (вредителя овощных и зерновых культур) — зимняя температура  и  т. д.

Представление о лимитирующих факторахосновывается на двух законах экологии: законе минимума и законе толерантности.

 

 

 

 

 

 

 

 

Динамика популяций

Это периодическое или непериодическое изменение численности, полового или возрастного состава популяции в результате действия абиотических (не зависящих от численности и плотности самой популяции) и биотических (зависящих от численности и плотности популяции) факторов.

Выделяют три вида популяционных  динамик: стабильный (изменение численности  популяции в несколько раз); изменчивый (колебания численности в десятки  раз); взрывной (периодическое превышение средней численности в сотни  и тысячи раз).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Агроэкосистемы. Компоненты агроэкосистем. Взаимоотношения растений

Агроэкосистема - (Агроэкосистема) - экологическая система, объединяющая участок территории (географический ландшафт), занятый хозяйством, производящим сельскохозяйственную продукцию. В состав Агроэкосистема входят: почвы с их населением (животные, водоросли, грибы, бактерии); поля-агроценозы; скот; фрагменты естественных и полуестественных экосистем (леса, естественные кормовые угодья, болота, водоемы); человек.

Основные черты Агроэкосистема определяет человек, который стоит на вершине экологической пирамиды и заинтересован в получении максимального количества сельскохозяйственной продукции. При этом, если человек следует экологическому императиву, он сохраняет почвы, биологическое разнообразие, не допускает сельскохозяйственного загрязнения и получает экологически чистую продукцию, а Агроэкосистема приобретает черты устойчивости (сестайнинга).

Агроэкосистема - автотрофная экосистема, основным источником энергии для которой является Солнце. Солнечная энергия усваивается растениями-продуцентами и фиксируется в урожае растениеводческой продукции или передается по пищевым цепям консументам, главные из которых - скот, и редуцентам - прежде всего обитающим в почве животным-детритофагам. Перерабатывая органические остатки, они способствуют деятельности микроорганизмов-редуцентов, которые пополняют запас элементов питания, доступных корням растений. Большую роль в агроэкосистема играют бактерии-азотфиксаторы, из которых наиболее важны виды, симбиотически связанные с бобовыми, так как при обработке почвы плугом биологическая азотфиксация за счет свободноживущих бактерий снижается в 4-5 раз.

В отличие от естественных экосистем агроэкосистема более открыты, и из них происходит отток вещества и энергии с урожаем, животноводческой продукцией, а также в результате разрушения почв (дегумификация и эрозия почв). Для компенсации этих потерь и контроля состава агроэкосистема (регулирование плотности популяций сорных растений, насекомых-вредителей и др.) человек вводит в агроэкосистема дополнительные элементы питания (азотные, фосфорные и калийные удобрения) и затрачивает энергию на производство, транспортировку и внесение минеральных и органических удобрений и пестицидов, производство и ремонт сельскохозяйственных машин, горючее и т. д. Однако величина антропогенной энергии даже в наиболее энергонасыщенных хозяйствах составляет менее 1% от энергии Солнца, которая фиксируется растениями агроэкосистема

Агроэкосистема весьма разнообразны и могут различаться по специализации (растениеводческие, животноводческие, комплексные) и по величине вложений антропогенной энергии (экстенсивные, компромиссные, интенсивные). Существуют как небольшие аборигенные фермы, где используется только ручной труд и реже - мускульная сила животных, так и высокомеханизированные хозяйства и скотооткормочные комплексы, потребляющие много антропогенной энергии.

Растениеводческие агроэкосистема В экстенсивном хозяйстве используется залежно-переложная система земледелия (в условиях лесной зоны - подсечно-огневая система земледелия). В таких системах происходит постоянная ротация (заменяемость) участков пашни и естественной растительности, в результате чего восстанавливается плодородие почв.

При компромиссном хозяйстве  почвовосстанавливающую роль играют посевы многолетних трав и однолетних бобовых культур в севооборотах, а также сидераты (зеленые удобрения). В умеренном количестве используются фосфорно-калийные удобрения, а для контроля плотности насекомых-вредителей - биологические методы защиты растений и система полезных симбиотических связей.

В интенсивном хозяйстве  сохраняется та же схема производства, что и при компромиссном, но резко  увеличиваются дозы минеральных  удобрений, возможны полив и использование  пестицидов в высоких дозах. Севообороты  упрощаются до двух-трех звеньев и  не включают сидератов или используется монокультура. С увеличением вложений антропогенной энергии возрастает риск разрушения почв.

Животноводческие агроэкосистемы экстенсивный вариант - это выпас скота на естественных кормовых угодьях (с сенокошением или без него в зависимости от климата). Вложения антропогенной энергии при этом минимальны и сводятся к затратам на жизнеобеспечение пастухов и первичную обработку животноводческой продукции.

При компромиссном варианте корм производится на естественных кормовых угодьях и на пашне (многолетние  травы, пропашные культуры и др.), плодородие почв которой поддерживается внесением навоза, возможно использование  невысоких доз фосфорно-калийных удобрений.

При интенсивном варианте животноводческая продукция производится на скотооткормочных комплексах, а  корма получают с пашни при  высоких вложениях энергии и  кроме того завозят из других районов (в таких странах, как Нидерланды или Сингапур - даже из других государств). Часть навоза вносится на поля, но его  количество оказывается больше, чем  можно внести в почву.

Комплексные агроэкосистемы при низких энерговложениях сохраняется ротация полей и естественных кормовых угодий (часть пашни через определенное время забрасывается для естественного восстановления плодородия, хотя частично оно поддерживается за счет навоза). Минеральные удобрения либо не используются, либо вносятся в низких дозах фосфорно-калийные туки. Обеспечение почвы азотом достигается за счет биологической азотфиксации. Такой вариант хозяйства характерен для альтернативных систем земледелия. По существу такие агроэкосистемы создавал агроэкосистемы Т. Болотов.

При интенсивном варианте производство кормов на естественных кормовых угодьях минимизируется, и  с пашни получают как растениеводческую  продукцию, так и корм для скота. Дозы вносимых удобрений и пестицидов высокие. Возможен полив.

При компромиссном варианте наиболее полно реализуется адаптивный подход. Площадь пашни ограничена, ее плодородие поддерживается навозом, севооборотами и умеренными дозами фосфорно-калийных удобрений. Контроль сорняков, насекомых-вредителей и болезней культурных растений проводится либо биометодом, либо интегрированным методом защиты растений. Скот получает корм как на естественных кормовых угодьях, так и с пашни, поскольку в севооборотах значительное место занимают многолетние травы и кормовые однолетние бобовые культуры. Все это позволяет поддерживать достаточно высокую продуктивность агроэкосистемы

Поскольку с увеличением  вложений антропогенной энергии  затрудняется достижение сестайнинга агроэкосистемы, наиболее оправданы экстенсивные животноводческие агроэкосистемы в условиях, где нет возможности получать растениеводческую продукцию, и компромиссные комплексные агроэкосистемы

В первом случае необходимо регулирование пастбищных нагрузок для исключения пастбищной дигрессии. Возможны агроэкосистемы с дистанционным управлением, когда по существу сохраняется естественная экосистема, которая рационально используется. Например, в тундрах животным компонентом Агроэкосистема является дикий олень, в степях - сайгак, в саваннах - сложные многовидовые стада копытных (антилопы, зебры и т. д.), а человек изымает часть животных в соответствии с нормативом максимально допустимого урожая, обеспечивающим сохранность популяций. За счет дифференциации экологических ниш и более полного и равномерного потребления растительной биомассы такие агроэкосистемы могут давать мяса в несколько раз больше, чем агроэкосистема с одним-двумя видами скота. Повышается эффективность использования пастбищ при совместном содержании скота разных видов и даже при разновозрастном стаде животных одного вида.

Во втором случае главное  условие обеспечения сестайнинга - экологическая оптимизация структуры агроэкосистемы

Взаимоотношения растений

Взаимоотношения растений между  собой имеют многообразный характер и, соответственно, имеется довольно большое количество систем классификации  взаимодействий растений. Их можно  классифицировать по субъектам, по способам воздействия, по участию среды, по роли среды в питании растений и  так далее. Так, к примеру, В. Н. Сукачев (1956) предложил все формы взаимодействий растений между собой разделить  на три большие группы: • контактные взаимодействия, возникающие при  полном контакте растений, при их соприкосновении, срастании или даже при проникновении  одного растения в тело другого. Это  может быть паразитизм и полупаразитизм, срастание корней, влияние лиан, охлестывание ветвями или же давление корневищ и корней при их разрастании; • трансабиотические взаимоотношения, возникающие в результате изменения растениями условий существования сообитателей (конкуренция, выделение растениями в окружающую их среду различных веществ, формирование мертвого опада, а также изменение растением условий окружающей его среды); • трансбиотические взаимоотношения, возникающие в результате косвенного влияния одного организма на другое через изменение условий существования третьего организма. Ввиду многообразия и сложности взаимоотношений между растениями В. С. Ипатовым и Л. А. Кириковой (1999) была предложена двухуровневая система классификации. I. По субъектам: • индивидуальные; • коллективные. II. По способам воздействия: • механические; • физические; • экологические; • ценотические; • химические (аллелопатия); • информационно-биологические. III. По участию среды: • непосредственные; • топические. IV. По роли среды в питании растений: • трофические; • ситуационные. V. По последствиям для растений: • конкуренция и взаимоограничение; • приспособительные (адаптационные); • изживание–ограничение, изживание–элиминация; • недопущение; • самоограничение и самоблагоприятствование. При этом одно и то же взаимодействие в зависимости от аспекта рассмотрения может квалифицироваться по-разному, то есть попадать в различные классы. К примеру, конкуренция (по последствиям для растения) может быть прямой и опосредованной (по участию среды), индивидуальной и коллективной (по субъектам) и др. Б. М. Миркин с соавторами (Миркин и др., 2001) выделяют следующие типы взаимоотношения растений: • паразитизм и полупаразитизм; • конкуренция; • неконкурентное средообразование (биотическая трансформация экотопа); • положительные взаимодействия; • аллелопатия. При этом авторы отмечают, что, если исключить паразитизм и полупаразитизм, то все взаимоотношения растений сводятся к многообразным, но неравнозначным горизонтальным отношениям организмов одного трофического уровня. Главными типами горизонтальных отношений являются конкуренция и биотическая трансформация эко- топа. Остальные типы отношений – положительные влияния и особенно аллелопатия – менее значимы. Исходя из характера взаимодействий растений между собой, а также с консортами, выделяются 7 типов взаимоотношений (табл. 1). Нейтрализм, как вариант взаимоотношений, при котором растения не взаимодействуют между собой и не влияют друг на друга, не играет никакой роли в формировании фитоценоза и поэтому нами не рассматривается. Хищничество и паразитизм являются отношениями организмов различных трофических уровней и рассматриваются нами в следующем разделе.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Антропогенное воздействие  на водные ресурсы. Значение водных ресурсов. Источники загрязнения вод.

Гидросфера — водная оболочка Земли; масса (1,5-2,5)*1018 тонн; находится  в виде паров и облаков, океанов  и морей (91,3% массы), ледников, подземных  вод. Вода в природных условиях всегда содержит растворенные соли, газы, органические вещества. При концентрации солей  до 1г/кг вода считается пресной, до 25 г/кг – солоноватой, более 25 г/кг –  соленой. В пресных водах обычно преобладают ионы HCO3(-), Ca(2+), Mg(2+). По мере роста минерализации увеличивается концентрация SO4(-), Cl(-), Na(+), K(+). Пресная вода — 1% от общей массы.

Загрязнение вод проявляется  в изменении физических и органических свойств, увеличении содержания сульфатов, хлоридов, нитратов, токсичных тяжелых  металлов, сокращении растворенного  в воде кислорода, появлении радиоактивных  элементов, болезнетворных бактерий и  других загрязнителей.

Загрязнители:

-         химические. В этом виде участвуют  все виды промышленного, с/х производства, транспорт. Представляет собой изменение естественных химических свойств воды из-за увеличения в ней вредных примесей как неорганической. (кислоты, щелочи, соли, нефтепродукты, пестициды, диоксины, тяжелые металлы, фенолы, аммонийный и нитритный азот)

-         биологические. Вызывается микроорганизмами  и способными к брожению органическими  веществами, приводит к бактериологическому  заражению. (вирусы, бактерии, другие  болезнетворные организмы, водоросли,  дрожжевые и плесневые грибы)

-         физические. Связано со сбросом  тепла в воду, что приводит  к потрясению всего биоценоза  водоемов. Источником служат подогретые  сбросные воды ТЭЦ и промышленности; повышение температуры изменяет  естественные условия для водных организмов, снижает количество растворенного кислорода, изменяет скорость обмена веществ. Также к физическому загрязнению относятся радиоактивное загрязнение вод, попадание различных взвесей в водные системы. (радиоактивные элементы, взвешенные твердые частицы, тепло, органолептические (цвет, запах), шлам, песок, ил, глина)

Загрязнители:

1.       Целлюлозно-бумажный  комплекс, деревообработка: органические  вещества (смолы, жиры, лигнины, фенол), аммонийный азот, сульфаты, вывешенные  вещества.

2.       Нефтегазодобыча: нефтепродукты, СПАВ, фенолы, аммонийный азот, сульфиды.

3.       Машиностроение, металлообработка, металлургия: тяжелые  металлы, взвешенные вещества, цианиды,  аммонийный азот, нефтепродукты,  смолы, фенолы, фотореагенты.