Предмет и задачи экологии. 
Учение Вернадского о биосфере

Вопрос № 1.

Термин экология образован от двух греческих слов (ойкос-дом, жилище, родина и логос-наука), обозначающих дословно — «наука о местообитании». В более общем смысле экология — это наука изучающая взаимоотношения организмов и их сообществ с окружающей их средой обитания.

Экология одна из сравнительно молодых бурно развивающихся наук. В настоящее время экология распалась на ряд научных отраслей и дисциплин, подчас далеких от первоначального понимания ее как биологической науки (биоэкологии) об отношениях живых организмов с окружающей их средой. Н. Ф. Реймерс (1994) экологию по размерам объектов изучения предлагает подразделять на: аутоэкологию (особей и организмов как представителей вида); демэкологию (экологию малых групп); популяционную экологию; спецэкологию (экологию вида); синэкологию (экологию сообществ); биоценологию (экологию биоценозов); биогеоценологию (учение об экосистемах различного иерархического уровня организации); биосферологию (учение о биосфере); экосферологию (глобальная экология). В. А. Радкевич экологию по размерам объектов изучения делит на аутэкологию (особи, организм и его среда), демэкологию, или популяционную экологию (популяция и ее среда), синэкологию (биотическое сообщество, экосистема и их среда), географическую или ландшафтную экологию (крупные геосистемы, географические процессы с участием живого и их среды) иглобальную экологию (мегаэкология, учение о биосфере Земли), По отношению к предметам изучения экологию подразделяют на экологию микроорганизмов (прокариот), грибов, растений, животных, человека сельскохозяйственную, промышленную (инженерную), общую экологию. По средам и компонентам различают экологию суши, пресных водоемов, морскую, Крайнего Севера, высокогорий, химическую (геохимическую, биохимическую). По подходам к предмету выделяют аналитическую и динамическую экологии.

Предметом исследования экологии являются биологические макросистемы (популяция, биоценозы) и их динамика во времени и пространстве.

Задачи экологии — изучение закономерностей размещения живых организмов в пространстве, изменения численности организмов, потока энергии через живые системы и круговорота веществ и т. д.

Вопрос № 2.

Уровни организации жизни:

• 1) Молекулярно-генетический уровень жизни. Важнейшими задачами биологии на этом этапе является изучение механизмов передачи генной информации, наследственности и изменчивости.
• 2) Клеточный уровень. Сегодня наукой достоверно установлено, что наименьшей самостоятельной единицей строения, функционирования и развития живого организма является клетка, которая представляет собой элементарную биологическую систему, способную к самообновлению, самовоспроизведению и развитию.
• 3) Онтогенетический уровень. Многоклеточные организмы. Этот уровень возник в результате формирования живых организмов. Основной единицей жизни выступает отдельная особь, а элементарным явлением — онтогенез.
• 4) Популяционно-биоценотический уровень. Это надорганизменный уровень жизни, основной единицей которого является популяция.
• 5) Биогеоцетонический уровень. Биогеоценоз — устойчивая система, которая может существовать на протяжении длительного времени.
• 6) Биосферный уровень. Это наивысший уровень организации жизни, охватывающий все явления жизни на нашей планете.

Вопрос № 3.

Все то, что окружает живое существо в природе, называют средой обитания. На Земле существуют четыре основные среды обитания, освоенные и заселенные организмами. Это водная среда, наземно-воздушная, почвенная и, наконец, среда, образуемая самими живыми организмами. Каждая из этих сред имеет свои специфические условия жизни.

Экологические факторы очень многообразны как по своей природе, так и по воздействию на живые организмы. Условно все факторы среды подразделяются на три основные группы — абиотические, биотические и антропогенные.

• 1) Абиотические факторы — это факторы неживой природы, прежде всего климатические: солнечный свет, температура, влажность, и местные: рельеф, свойства почвы, соленость, течения, ветер, радиация и т. д. Эти факторы могут влиять на организмы прямо, т. е. непосредственно, как свет или тепло, либо косвенно, как, например, рельеф, который обусловливает действие прямых факторов — освещенности, увлажнения, ветра и пр.
• 2) Биотические факторы — это всевозможные формы влияния живых организмов друг на друга (например,опыление насекомыми растений, конкуренция, поедание одних организмов другими, паразитизм) и на среду. Биотические взаимоотношения имеют чрезвычайно сложный и своеобразный характер и также могут быть прямыми и косвенными.
• 3) Антропогенные факторы — это все те формы деятельности человека, которые воздействуют на естественную природную среду, изменяя условия обитания живых организмов, или непосредственно влияют на отдельные виды растений и животных.

Вопрос № 4.

Некоторые свойства среды остаются относительно постоянными на протяжении длительных периодов времени. Таковы сила тяготения, интенсивность солнечного излучения, солевой состав океана, газовый состав и свойства атмосферы.

Большинство же экологических факторов — температура, влажность, ветер, количество и равномерность выпадения осадков, укрытия, хищники, паразиты, конкуренты и пр. — очень изменчиво как в пространстве, так и во времени.

Изменения факторов среды по силе действия на организмы могут быть:

• 1) регулярно-периодическими, например в связи со временем суток, сезоном года или ритмом приливов и отливов в океане;
• 2) нерегулярными, например изменения погодных условий в разные годы, катастрофы (бури, ливни, обвалы и т. д.);
• 3) направленными: при похолодании или потеплении климата, зарастании водоемов и т. д.

Оптимум — это точка, на которой наблюдается максимальный рост и развитие организма, Но лучше говорить о зоне оптимума, поскольку обычно такой рост и развитие происходит в определенном диапазона оные количественных значений фактора (например, диапазон температур в несколько градусов) Тогда весь интервал температур от минимальной до максимальной, при которых возможны рост и развитие организма, наз иваеться его диапазоном устойчивости, а границы этого диапазона — пределами устойчивости" .

Вопрос № 5.

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.

Популяцией в экологии называют совокупность особей одного вида, находящихся во взаимодействии между собой и населяющих общую территорию.

Структура популяции характеризуется составляющими ее особями и их распределением в пространстве.

Половая структура популяции представляет собой соотношение в ней особей разного пола.

Генетический механизм определения пола обеспечивает расщепление потомства по полу в отношении 1:1, так называемое соотношение полов. Но из этого не следует, что такое же соотношение характерно для популяции в целом. Сцепленные с полом признаки часто определяют значительные различия в физиологии, экологии и поведении самок и самцов. В силу разной жизнеспособности мужского и женского организмов это первичное соотношение нередко отличается от вторичного и особенно от третичного — характерного для взрослых особей. Так, у человека вторичное соотношение полов составляет 100 девочек на 106 мальчиков, к 16−18 годам это соотношение из-за повышенной мужской смертности выравнивается и к 50 годам составляет 85 мужчин на 100 женщин, а к 80 годам — 50 мужчин на 100 женщин.

Соотношение полов в популяции устанавливается не только по генетическим законам, но и в определенной мере под влиянием среды обитания.

Возрастная структура популяции — соотношение в составе популяции особей разного возраста, представляющих один или разные приплоды одного или нескольких поколений.

Каждый вид, занимая определенную территорию (ареал), представлен на ней системой популяций. Чем сложнее расчленена территория, занимаемая видом, тем больше возможностей для обособления отдельных популяций.

Рождаемость и смертность, динамика численности напрямую связаны с возрастной структурой популяции. Популяция состоит из разных по возрасту и полу особей. Для каждого вида, а иногда и для каждой популяции внутри вида характерны свои соотношения возрастных групп. По отношению к популяции обычно выделяют три экологических возраста: предрепродуктивный, репродуктивный и пострепродуктивный.

С возрастом требования особи к среде и устойчивость к отдельным ее факторам закономерно и весьма существенно изменяются. На разных стадиях онтогенеза могут происходить смена сред обитания, изменение типа питания, характера передвижения, обшей активности организмов.

Возрастные различия в популяции существенно усиливают ее экологическую неоднородность и, следовательно, сопротивляемость среде. Повышается вероятность того, что при сильных отклонениях условий от нормы в популяции сохранится хотя бы часть жизнеспособных особей, и она сможет продолжить свое существование.

Возрастная структура популяций имеет приспособительный характер. Она формируется на основе биологических свойств вида, но всегда отражает также силу воздействия факторов окружающей среды.

Вопрос № 6.

Плотность популяции — это число особей, или их биомасса, приходящаяся на единицу площади или объема жизненного пространства. Примерами плотности популяции могут быть: 500 деревьев на 1 га леса, 5 млн. особей хлореллы на 1 м воды; или 200 кг рыбы на 1 га поверхности водоема. Измерением плотности пользуются в тех случаях, когда важнее знать не конкретную величину популяции в тот или иной момент времени, а ее динамику, то есть ход изменений численности во времени. Плотность в данных случаях служит мерой относительного обилия.

Мерой обилия могут также являться и показатели, отнесенные не к единице пространства, а к единице времени, например число птиц, отмеченных в течение часа, или количество рыб, выловленных за сутки. Относительные показатели такого рода, в том числе показатели плотности, называют индексами численности.

Для измерения обилия популяций испытано много различных методов. К наиболее распространенным из них можно отнести следующие:

• 1. Полный учет обилия популяции, возможный иногда для крупных, хорошо заметных животных (например, оленей, пасущихся в открытых районах тундры, или тюленей, собирающихся на период размножения в большие группы).
• 2. Метод пробных площадок, состоящий в подсчете организмов на небольших участках (площадках), разрезах или в малых объемах и последующего перенесения результатов подсчетов на всю область распространения популяции.
• 3. Методы мечения и повторного отлова (для подвижных животных). Общее число меченых животных известно (Т). Долю, которую эти животные составляют в популяции, можно определить, взяв произвольный вылов © из популяции и, определив в нем число повторно выловленных меченых (В) особей, то есть отношение (В/С). Общая численность популяции (N) в этом случае может быть просчитана на основе простой пропорции:

T/N = R/C.

Методы мечения используют также для определения пространственного распределения особей популяций, путей их миграций, ряда других популяционных показателей.

4. Методы без взятия проб (применимые к неподвижным организмам, например к деревьям). Таков метод случайных точек. От каждой из этих точек, произвольно выбранных в различных местах леса, измеряют расстояние до ближайших к ним деревьев. Это расстояние измеряется по всем четырем направлениям. Плотность деревьев на единицу площади вычисляется по формуле, учитывая среднее расстояние между стволами. При изучении популяций промысловых животных (например, рыб или некоторых млекопитающих) используют ряд специальных методов определения обилия, основанных на анализе изменений производительности используемых орудий лова.

При оценивании удельной рождаемости людей в той или иной местности, городе, селе ее принято рассчитывать по отношению не ко всему населению, а только по отношению к общему числу женщин в возрасте от 20 до 40 лет.

Вопрос № 7.

Численность популяций не остается постоянной, так как меняются условия их существования. Возникающие изменения численности популяций во времени называются динамикой численности. Ее изучение важно для прогноза перспектив дальнейшего существования популяций и оценки их роли в природных сообществах.

Диапазон колебаний численности популяций зависит от степени изменчивости абиотических и биотических факторов, а также от биологических особенностей конкретного вида (плодовитости, скорости смены поколений, возраста достижения половой зрелости особей и др.). Самые большие диапазоны колебаний численности характерны для мелких быстро размножающихся организмов — бактерий, инфузорий, насекомых, грызунов.

Причины динамики численности. Факторы, вызывающие изменение численности, разнообразны. Их подразделяют на две группы: не зависимые и зависимые от плотности популяции.

К не зависимым от плотности популяции относят преимущественно абиотические факторы. Они действуют на популяцию при любой ее численности. Например, особо суровые зимы вызывают гибель зимующих особей капустной белянки вне зависимости от того, большое или малое количество особей составляет эту популяцию в данный зимний период. Или наоборот, благоприятные условия зимовки могут способствовать повышению численности особей как в малочисленных популяциях, так и в больших. Следовательно, разнообразные абиотические факторы среды могут вызвать значительные колебания численности популяции.

К зависимым от плотности популяции принадлежат биотические факторы — естественные враги (хищники, паразиты, возбудители болезней) и пищевые ресурсы. Их количество изменяется вместе с изменением численности популяции. Установлено, что как только плотность популяции того или иного вида хищников увеличивается, численность популяции его основной жертвы начинает снижаться. Такой же эффект на популяцию хозяина оказывают и паразиты. Как правило, чем выше плотность популяции, тем сильнее влияние этих факторов. Без них численность популяции могла бы неограниченно увеличиваться, что привело бы к полному уничтожению источников корма. Таким образом, особенность действия факторов зависящих от плотности, заключается в сглаживании резких колебаний численности, благодаря чему численность популяции поддерживается на определенном оптимальном уровне.

Вопрос № 8.

Биоценоз — сложная природная система. Весь комплекс совместно живущих и связанных друг с другом видов называют биоценозом («биос» — жизнь, «ценос» — сообщество).

Видовая структура биоценоза. Виды, входящие в биоценоз, очень неравноценны по численности. Одни из них массовые, другие малочисленны, третьи — совсем редки. Наиболее массовые виды биоценоза называют доминантами или доминирующими видами. Например, в ельнике-черничнике среди деревьев постоянно доминирует ель, среди наземных растений — черника, зеленые мхи, среди птиц — пеночкатеньковка, синица-гаичка, из куриных птиц — рябчик, а среди мышевидных грызунов преобладает рыжая полевка.

Распределение видов в пространстве. Для биоценозов характерно также закономерное распределение видов в пространстве. Основу этого распределения формирует растительность. Растения создают в биоценозах ярусностъ, располагая друг под другом листву в соответствии со своей формой роста и светолюбием. В лесах умеренного климата может быть до 5—6 ярусов растений.

Экологическая ниша вида. Как уже обсуждалось, виды уживаются в одном биоценозе в тех случаях, когда они расходятся по экологическим требованиям и ослабляют тем самым конкуренцию друг с другом. Таким образом, каждый вид использует ресурсы по-своему и имеет свои особенности связей с другими видами.

Положение, которое вид занимает в составе биоценоза, называется его экологической нишей. Экологическую нишу вида характеризуют и границы выносливости его по отношению к разным факторам, и характер связи с другими видами, и образ жизни, и распределение в пространстве.

Экологические ниши совместно живущих видов могут частично перекрываться, но полностью никогда не совпадают, так как при этом вступает в действие закон конкурентного исключения и один вид вытесняет другой из данного биоценоза.

Вопрос № 9.

Все биотические связи можно разделить на 6 групп:

• 1 Нейтрализм — популяции не влияют друг на друга (00);
• 2а. Протокооперация — популяции имеют взаимовыгодные связи (++) (Взаимодействие друг с другом полезно для обеих популяций, но является не обязательным);
• 2 В. Мутуализм — популяции имеют взаимовыгодные связи (++) (Обязательное взаимодействие, полезное для обеих популяций);
• 3. Конкуренция — отношения вредны для обоих видов;
• 4. Паразитизм — один из видов получает выгоду, другой испытывает угнетение (+);
• 5. Комменсализм — один вид получает пользу, другой не испытывает вреда (+0);
• 6. Амменсализм — один вид угнетается, другой не извлекает пользы (? 0);

Типичный симбиоз представляют отношения термитов и живущих в их кишечниках одноклеточных жгутиковых.

По степени соединения организмов и по их пищевой зависимости друг от друга различают несколько типов симбиоза: мутуализм, паразитизм, комменсализм.

Все перечисленные выше типы взаимоотношений и их общие характеристики сведены в таблицу «Типы биотических взаимоотношений». Тип взаимодействия Вид Общий характер взаимодействия 1 2 1 Нейтрализм 0 0 Ни одна из популяций не оказывает на другую влияния 2 Конкуренция Опосредованное подавление, возникающее, когда появляется недостаток в каком-либо ресурсе, исполняемом обоими видами 3 Амменсализм 0 Одна популяция подавляет другую, но сама не испытывает отрицательного влияния 4 Паразитизм + Использование организма хозяина в качестве жизненной среды 5 Хищничество + Поедание организмов данного вида другими 6 Комменсализм + 0 Популяция комменсала (сотрапезника, нахлебника) получает пользу от объединения с популяцией хозяина, для которого это соединение безразлично 7 Протокооперация + + Взаимодействие друг с другом полезно для обеих популяций, но является не обязательным 8 Мутуализм + + Обязательное взаимодействие, полезное для обеих популяций 9 Симбиоз + + Необходимое взаимодействие для обоих партнеров Следует помнить, что типы взаимоотношений конкретной пары видов могут изменяться в зависимости от внешних условий или стадии жизни взаимодействующих организмов. К тому же в природе во взаимоотношения оказывается вовлеченной не пара видов, а гораздо большее число. Межвидовые связи в природе бесконечно разнообразны.

Вопрос № 10.

Конкурентное взаимодействие может касаться территории, пищи, света, убежищ и всех иных видов экологических ресурсов. Исход конкуренции представляет огромный интерес не только для экологов, изучающих процессы формирования состава природных сообществ, но и для эволюционистов, изучающих механизмы естественного отбора.

Конкуренция подразделяется на внутривидовую и межвидовую. Как внутривидовая, так и межвидовая конкуренция может играть большую роль в формировании разнообразия видов и динамике численности организмов.

Внутривидовая конкуренция это борьба за одни и те же ресурсы, происходящая между особями одного и того же вида. Это важный фактор саморегуляции численности популяций. нутривидовая конкуренция является важным регулятором, контролирующим рост популяций. Благодаря этой конкуренции возникает определенная зависимость между плотностью популяции и скоростью процессов отмирания (смертность) или размножения (рождаемость) особей. Это, в свою очередь, приводит к возникновению определенной связи между численностью родительских пар и количеством производимого ими потомства. Подобные связи действуют как регуляторы колебаний численности популяций…

Межвидовая конкуренция — это любое взаимодействие между двумя или более популяциями, которое отрицательно сказывается на их росте и выживании. Независимо оттого, что лежит в основе межвидовой конкуренции — использование одних и тех же ресурсов, межвидовые химические или алеллопатические взаимодействия или хищничество, — она может привести либо к взаимному приспособлению видов, либо к вытеснению одного вида другим.

Вопрос № 11.

Экосистема и биогеоценоз. Сообщества организмов тесно связаны не только друг с другом, но и с неорганической средой. Растения могут существовать только при наличии света, углекислого газа, воды, минеральных солей. Животные и другие гетеротрофные организмы (грибы, большинство бактерий) живут за счет автотрофов, но нуждаются в поступлении таких неорганических соединений, как кислород и вода. В любом биотопе запасы неорганических соединений, необходимых для поддержания жизнедеятельности населяющих его организмов, сравнительно малы и постоянно убывают, поэтому необходимо их возобновление. Из окружающей среды живые организмы поглощают биогенные элементы и энергию и возвращают их обратно (например, при дыхании, выделении экскрементов, разложении растительных и животных остатков). Благодаря этим обменным процессам биоценоз и окружающая его неорганическая среда (экотоп) представляют собой сложную систему, получившую названиеэкосистема или биогеоценоз.

Структура экосистемы — естественное функционально-морфологическое членение экосистемы на подсистемы и блоки, играющие в экосистеме роль «кирпичиков». В число структурных элементов входят популяции, консорции (совокупность разнородных организмов, тесно связанных между собой и зависящих от центрального члена или ядра сообщества), синузии(одноярусная группировка растений в пределах фитоценоза;совокупность популяций животных и растений, связанных между собой общими требованиями к среде обитания), ярусы растительности (расчлененность сообщества на ярусы), т. е. структуры биоценоза (фитоценоза) и структуры биогеоценоза (экосистемы). Каждая популяция одновременно входит в две структуры: в экологическую пирамиду (растениями питаются травоядные, травоядными — хищники и т. д.); в группу экологически сходных популяций, составляющих биотическое сообщество (напр. сообщество злаков на лугу). Вместе со своими неизменными спутниками — микроорганизмами, насекомыми, грибами — такие сообщества дают собрания как бы «по горизонтали» (их называют синузиями; напр., синузия мхов в лесу) и одновременно «по вертикали», на всю толщину слоя жизни в населяемой среде — это консорции). Сложение синузий (например деревьев, кустарников, трав, мхов) и входящих в них консорций дает новый вид парцелл — биогеоценотических.

Видовое разнообразие — число видов в данном сообществе или в данной области. Различают альфа-разнообразие (число видов в рассматриваемом биотопе), бета-разнообразие (число видов во всех биотопах данной области) и гамма-разнообразие.

Любая экосистема составлена определенным числом видов растений и животных, между которыми установлено своеобразное равновесие. Для каждой популяции отдельных видов свойственно определенное соотношение между образованием новых особей и отмиранием старых. Для системы в целом характерно периодическое появление одних видов (в результате дивергенции или заноса) и отирание других.

Вопрос № 12.

Питание — основной способ движения веществ и энергии.

Организмы в экосистеме связаны общностью энергии и питательных веществ, которые необходимы для поддержания жизни. Главным источником энергии для подавляющего большинства живых организмов на Земле является Солнце. Фотосинтезирующие организмы (зеленые растения, цианобактерии, некоторые бактерии) непосредственно используют энергию солнечного света. При этом из углекислого газа и воды образуются сложные органические вещества, в которых часть солнечной энергии накапливается в форме химической энергии.

Первоисточником энергии для экосистем служит Солнце. Большая часть солнечной энергии, достигающей поверхности планеты, превращается непосредственно в тепло, нагревая воду или почву, от которых в свою очередь нагревается воздух. Это тепло служит движущей силой круговорота воды, воздушных потоков и океанических течений, определяющих погоду, постепенно отдается в космическое пространство, где и теряется.

Фотосинтез является основным источником биологической энергии, фотосинтезирующие автотрофы используют её для синтеза органических веществ из неорганических, гетеротрофы существуют за счёт энергии, запасённой автотрофами в виде химических связей, высвобождая её в процессах дыхания и брожения. Энергия получаемая человечеством при сжигании ископаемого топлива (уголь, нефть, природный газ, торф) также является запасённой в процессе фотосинтеза.

Вопрос № 13.

Способность экосистемы относительно полно самовосстанавливаться и саморегулироваться в течение сукцессионного или эволюционного отрезка ее существования называется экологической надежностью. Простейшим механизмом поддержания экологической надежности экосистемы является замена выбывшего по каким-либо причинам вида другим, экологически близким. При более глубоком нарушении замена происходит на уровне сообществ различного уровня вплоть до биогеоценозов.

Устойчивость экосистемы Способность экосистемы к реакциям, пропорциональным по величине силе воздействия, которые гасят эти воздействия. При этом в экосистеме возбуждаются компенсационные (отрицательные) обратные связи, что равноценно выполнению принципа Ле Шателье. При превышении некоторой критической величины воздействия экосистема теряет устойчивость, возникают положительные обратные связи, которые могут привести к её разрушению. Син.: Живучесть экосистемы, Жизнестойкость экосистемы.

Сукцессия (от лат. Successio — преемственность, наследование) — процесс саморазвития сообществ. В основе сукцессии лежит неполный биологический круговорот в данном сообществе. Каждый живой организм в результате жизнедеятельности меняет вокруг себя среду, изымая из нее часть веществ и насыщая ее продуктами метаболизма. При более или менее длительном существовании популяций они меняют свое окружение в неблагоприятную сторону и в результате оказываются вытесненными популяциями других видов, для которых вызванные преобразования среды оказываются экологически выгодными. В ходе сукцессии на основе конкурентных взаимодействий видов происходит постепенное формирование более устойчивых комбинаций, соответствующих конкретным абиотическим условиям среды.

Вопрос № 14.

экология вернадский биосфера.

Биосфера — «сфера жизни» — оболочка Земли, заселенная живыми организмами. Биосфера является самой большой экосистемой. Толщина биосферы немного больше 20 км (организмы обитают над поверхностью суши не выше 6 км над уровнем моря, опускаются не глубже 15 км в толщу суши и 11 км в глубь океана).

Экосфера — понятие, аналогичное биосфере — комплекс всех экосистем, существующих на земле. Термин «биосфера» употребляется только для обозначения зоны, где возможна жизнь, а экосфера подразумевает взаимодействие живых организмов с окружающей средой.

Биогенное вещество — вещество, создаваемое живыми организмами (уголь, нефть и т. п.). Биокосное вещество — вещество, в создании которого принимают участие живие организмы (почва, ил и т. п.).

Одним из выдающихся естествоиспытателей, который посвятил себя изучению процессов, протекающих в биосфере, был академик В. И. Вернадский. Он стал основоположником научного направления, названного им биогеохимией, которое легло в основу современного учения о биосфере.

До появления работ В. И. Вернадского роль живых организмов на Земле представлялась ученым очень скромной. Действительно, казалось бы, какое может быть сравнение последствий их жизнедеятельности с мощью внутренних сил планеты, вздымающих высочайшие горы, разверзающих океанские пучины, перемещающих целые континенты. (8).

В. И. Вернадский доказал, что, как бы слаб ни был каждый организм в отдельности, все они, вместе взятые, на протяжении длительного отрезка времени выступают как мощный геологический фактор, играющий существенную роль в жизни нашей планеты. Геологическая деятельность живых организмов проявляется как следствие следующих их особенностей: они теснейшим образом связаны с окружающей средой и взаимодействуют с ней в процессе обмена веществом и энергией; обмен веществ организмов со средой осуществляется в процессе биологического круговорота; суммарный эффект результатов деятельности организмов проявляется на протяжении очень длительных (сотен миллионов лет) отрезков времени. Таким образом, приоритет в разработке теоретических основ учения о биосфере принадлежит советским ученым.

Биогеохимические принципы Вернадского Советский ученый В. И. Вернадский открыл (1940) фундаментальные законы (принципы), управляющие геохимической деятельностью живых организмов в биосфере. Они сводятся к следующему: 1) биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению; 2) эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, увеличивающем биогенную миграцию атомов биосферы. Эти два постулата Вернадского легли в основу создания новой науки — биосферологии.

Вопрос № 15.

Солнечная энергия на Земле вызывает два круговорота веществ: большой, или геологический круговорот веществ, наиболее ярко проявляющийся вкруговороте воды и циркуляции атмосферы, и малый, биологический круговорот веществ (биотический), развивающийся на основе большого и состоящий в непрерывном, циклическом, но неравномерном во времени и пространстве, и сопровождающийся более или менее значительными потерями закономерного перераспределения вещества, энергии и информации в пределах экологических систем различного уровня организации большой круговорот веществ и малый круговорот веществ взаимно связаны и представляют как бы единый процесс. Подсчитано, что весь кислород, содержащийся в атмосфере, оборачивается через организмы (связывается при дыхании и высвобождается при фотосинтезе) за 2000 лет, углекислота атмосферы совершает круговорот в обратном направлении за 300 лет, а все воды на Земле разлагаются и воссоздаются путем фотосинтеза и дыхания за 2 000 000 лет.

Кругооборот углерода В круговороте углерода, точнее, наиболее подвижной его формы — углекислого газа — четко прослеживается его перемещение по трофическим цепям: продуценты, улавливающие углерод в составе углекислого газа при фотосинтезе, консументы — поглощающие углерод в составе органических веществ, составляющих тела продуцентов и консументов более низших порядков, редуцентов — возвращающих углерод вновь в круговорот.

Кругооборот кислорода Скорость оборота кислорода — 2 тыс. лет. За это время весь кислород атмосферы проходит через живое вещество.

Основной источник кислорода — зеленые растения. Ежегодно они производят на суше 53 * 109 т кислорода на суше, а в океанах — 414 * 109 т.

Процесс корговорота кислорода в биосфере сложен, поскольку он содержится во многих химических соединениях.

Кругооборот азота Охватывает все области биосферы. Запасы азота в атмосфере неисчерпаемы (78%), но поглощение его растениями ограниченно, т.к. они усваивают азот только в форме соединений с углеродом и кислородом. Усваивать азот из воздуха могут азотофиксирующие клубеньковые бактерии, являющиеся симбионтами бобовых культур и обитающие в клубеньках на корнях последних.

Редуценты (деструкторы) — почвенные бактерии — постепенно разлагают белковые вещества отмерших организмов и превращают их в аммонийные соединения, нитраты и нитриты. Часть нитратов попадает в процессе круговорота в подземные воды, загрязняя их. Азот в форме нитратов и нитритов может усваиваться растениями и передаваться по пищевым цепям.

Не менее важны кругообороты серы и фосфора, но они менее совершенны, т.к. основная масса данных элементов содержится в резервном фонде земной коры, в недоступном фонде. Это типичные осадочные биогеохимические циклы. Такие циклы очень зависимы от внешних воздействий и легко нарушаются, поскольку часть вещества выводится из круговорота. Возврат веществ в круговорот возможен только в результате геологических процессов или путем извлечения живым веществом биофильных компонентов.

Вопрос № 16.

Существуют два основных определения понятия «биосфера», одно из которых известно со времени появления в науке данного термина. Это понимание биосферы как совокупности всех живых и неживых организмов на Земле.

Атмосфера — наиболее легкая оболочка Земли, которая граничит с космическим пространством, через атмосферу осуществляется обмен вещества и энергии с космосом.

Гидросфера — водная оболочка Земли. В следствие высокой подвижности вода проникает повсеместно в различные природные образования, даже наиболее чистые атмосферные воды содержат от 10 до 50 мгр/л растворимых веществ.

Литосфера — внешняя твердая оболочка Земли, состоящая из осадочных и магматических пород. В настоящее время земной корой принято считать верхний слой твердого тела планеты, расположенный выше сейсмической границы Мохоровичича. Поверхностный слой литосферы, в котором осуществляется взаимодействие живой материи с минеральной (неорганической), представляет собой почву. Остатки организмов после разложения переходят в гумус (плодородную часть почвы). Составными частями почвы служат минералы, органические вещества, живые организмы, вода, газы.

Понятие биосферы впервые было введено австрийским ученым геологом Эдуардом Зюссом в 1875 году. Понятие биосферы имеет два аспекта: с одной стороны как специфическая оболочка земного пространства, с другой — как глобальная экосистема. С точки зрения составляющих компонентов биосфера — это нижняя часть атмосферы, гидросфера и верхняя часть литосферы, населенные живыми организмами, или по выражению Владимира Ивановича Вернадского — «область распространения живого вещества» .

Вопрос № 17.

Горизонтальное деление биосферы связано с действием различных факторов: освещенности, увлажнения, температуры и т. п. Если говорить о геобиосфере, то горизонтальному ее делению способствует наличие границ, непреодолимых для многих видов живых организмов — это моря и океаны, горные массивы, пустыни и т. п. Кроме того, сочетание различных абиотических факторов позволяет выделять определенные биогеографические области.

Вопрос № 18.

Современная наука о биосфере классифицирует функции биосферы по пяти категориям:

• 1) энергетическая (накопление свободной энергии — связывание и запасание солнечной энергии);
• 2) концентрационная (акапливание химических элементов в телах живых организмов в масштабах биосферы (формирование атмосферы, залежей органических и неорганических веществ);
• 3) транспортная (закон биоигенной миграции атомов, биогеохимические круговороты);
• 4) деструктивная (разложение органики и замыкание круговоротов, выветривание разрушение земной коры, формирование почвы);
• 5) средообразующая.

Эти пять категорий объединяет то, что все они взаимосвязаны между собой и образуют глобальный биотический круговорот. Он заключается в циркуляции веществ между почвой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Благодаря биотическому круговороту возможно длительное существование и развитие жизни при ограниченном запасе доступных химических элементов. Используя неорганические вещества, зеленые растения за счет энергии Солнца создают органическое вещество, которое другими живыми существами — гетеротрофами — разрушается, с тем, чтобы продукты этого разрушения могли быть использованы растениями для новых органических синтезов.

Вопрос № 19.

Созданная на основе исторического метода эволюционная теория, в задачу которой входит изучение факторов, движущих сил и закономерностей органической эволюции, по праву занимает центральное место в системе наук о живой природе. Она представляет собой обобщающую биологическую концепцию. Практически нет таких отраслей биологии, для которых эволюционная теория не давала бы методологических принципов исследования. По этой причине эволюционная биология является одним из трех важнейших направлений развития биологической науки.

Главной причиной эволюции Ламарк считал присущее живой природеизначальное (заложенное Творцом) стремление к усложнению и самосовершенствованию своей организации. Оно проявляется во врожденной способности каждого индивида к усложнению организма. Вторым фактором эволюции он называл влияние внешней среды: пока она не изменяется, виды постоянны, как только она становится иной, виды также начинают меняться. При этом Ламарк на более высоком уровне посравнению с предшественниками разработал проблему неограниченной изменчивости живых форм под влиянием условий существования: питания, климата, особенностей почвы, влаги, температуры и т. д.

Вопрос № 20.

По состоянию на конец XX в. среди существующих источников воздействия выделяют:

• * главные источники антропогенного загрязнения воздуха: энергетику, транспорт, черную и цветную металлургию, химию и нефтехимию;
• * основные загрязнители гидросферы: предприятия целлюлозно-бумажной, нефтеперерабатывающей, химической, пищевой и легкой промышленности. В последнее время значительно увеличилась доля загрязнений, поступающих в водоемы от индустриального сельского хозяйства;
• * основная масса промышленных твердых и жидких отходов образуется на предприятиях горнодобычи и горнопереработки, энергетики, металлургической и химической отраслей промышленности.

Классификация антропогенных (техногенных) воздействий, обусловленных загрязнением среды, включает основные категории:

• 1. Материально-энергетические характеристики воздействий: механические, физические (тепловые, электромагнитные, радиационные, акустические), химические, биологические факторы и агенты, их различные сочетания. В большинстве случаев в качестве таких агентов выступают эмиссии (т.е. испускания — выбросы, стоки, излучения и т. п.) различных технических источников.
• 2. Количественные характеристики воздействия: сила и степень опасности (интенсивность факторов и эффектов, массы, концентрации, характеристики типа «доза — эффект», токсичность, допустимость по экологическим и санитарно-гигиеническим нормам); пространственные масштабы, распространенность (локальные, региональные, глобальные).
• 3. Временные параметры воздействий по характеру эффектов: кратковременные и длительные, стойкие и нестойкие, прямые и опосредованные, обладающие выраженным или скрытными следовыми эффектами, обратимые и необратимые, актуальные и потенциальные, пороговость эффектов.
• 4. Категории эффектов воздействия: различные живые реципиенты (способные воспринимать и реагировать) — люди, животные, растения, а также компоненты окружающей среды, к которым относятся: среда поселений и помещений, природные ландшафты, почва, водные объекты, атмосфера, околоземное пространство; сооружения.

Вопрос № 21.

В процессе своей хозяйственной деятельности человек производит различные вещества. Все производимые вещества с использованием как возобновимых, так и невозобновимых ресурсов можно разделить на четыре типа:

• · исходные вещества (сырье);
• · промежуточные вещества (возникающие или используемые в процессе производства);
• · конечный продукт;
• · побочный продукт (отход).

В наши дни наиболее масштабным и значительным загрязнением окружающей природной среды считается химическое загрязнение, в большинстве случаев рассматриваемое отдельно для атмосферы, гидросферы и литосферы. При физическом же загрязнении выделить особенности его воздействия на отдельные компоненты биосферы труднее, поэтому его принято подразделять на виды: шумовое, электромагнитное, ионизирующее и т. п.

По масштабам воздействия различают загрязнение биосферы:

• · локальное — характерно для городов, крупных промышленных и транспортных предприятий, районов добычи полезных ископаемых, крупных животноводческих комплексов и т. п.;
• · региональное — охватывает значительные территории и акватории как результат влияния крупных промышленных районов;
• · глобальное — распространяется на большие расстояния от места возникновения и оказывает неблагоприятное воздействие на крупные регионы, вплоть до общепланетарного влияния (чаще всего связано с выбросами в атмосферу).

Тяжелые металлы — группа химических элементов, имеющих плотность 5 г/см³. Для их биологической классификации правильнее руководствоваться атомной массой, т. е. считать тяжелыми металлы с относительной массой более 40. К тяжелым металлам отнесена группа элементов, имеющих большое биохимическое и физиологическое значение. Антропогенная эволюция почвенного покрова зависит как от характера антропогенных воздействий, так и от особенностей природных свойств экосистем, их устойчивости к различным видам нагрузок и способности к восстановлению. Эта эволюция носит глобальный характер с существенным изменением многих закономерностей распределения почв и структур как планеты в целом, так и отдельных регионов.

Использование пестицидов неизбежно отрицательно влияет на экосистемы любого уровня и на здоровье человека. Пестициды следует использовать по назначению, в минимально необходимом количестве и лишь там, где химические средства защиты нельзя пока заменить биологическими. Из закона «физико-химического единства живого вещества» вытекает следствие: вредное для одной части живого вещества не может быть безразлично для другой ее части. Поэтому любые физико-химические агенты, смертельные для одних организмов, не могут не оказывать вредного влияния на другие организмы.

Государственный стандарт на пестицид отражает точное название действующего вещества. Действующее вещество — это химическое вещество, входящее в состав пестицида и оказывающее на вредный организм токсическое действие.

Вопрос № 22.

Нефть и нефтепродукты. Нефть (далее — Н.) представляет собой сложную смесь органических соединений (гл. обр. углеводородов).

Нефть представляет собой вязкую маслянистую жидкость, имеющую темно-коричневый цвет и обладающую слабой флуоресценцией. Нефть и нефтепродукты являются наиболее распространенными загрязняющими веществами в Мировом океане.

Смешиваясь с водой, нефть образует эмульсию двух типов: прямую «нефть в воде» и обратную «вода в нефти». Прямые эмульсии, составленные капельками нефти диаметром до 10,5 мкм, менее устойчивы и характерны для нефти, содержащей поверхностноактивные вещества. При удалении летучих фракций, нефть образует вязкие обратные эмульсии, которые могут сохраняться на поверхности, переноситься течением, выбрасываться на берег и оседать на дно.

Токсичность нефти объясняется присутствием летучих ароматических углеводородов (толуол, ксилол, бензол). Высокие концентрации нефти в почве приводят к угнетению роста растений, гибели почвенных беспозвоночных и позвоночных организмов.

Лабораторное определение нефти процесс достаточно сложный и долгий. После проведения всех предварительных процедур — фильтрации, экстракции содержание нефти определяют на концентратомере КН-3.