Основы экологии и охраны природы

Контрольная работа

По дисциплине: «Экология»

Санкт-Петербург

2008 — 2009 уч. год

1. Основы экологии

1.1 Задание № 18. Факторы, определяющие длину пищевых цепей

1.2 Задание № 25. Особенности функционирования типичных наземных экосистем

2 Охрана природы

2.1 Задание № 4. Понятие о предельно-допустимой концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосфере

2.2 Задание № 37. Роль животных в круговороте веществ в природе

3 Список используемой литературы

1. Основы экологии

1.1 Задание № 18. Факторы, определяющие длину пищевых цепей

Пищевая цепь, трофическая или цепь питания — взаимоотношения между организмами, через которые в экосистеме происходит трансформация вещества и энергии. Так, например, трава служит пищей коровам, которые, в свою очередь, служат пищей человеку.

Трофическая — ряд видов, в котором каждый предыдущий вид служит пищей последующему (например, растения — гусеницы — насекомоядные птицы — хищные птицы). Многие виды могут входить в разные цепи питания.

Пищевая цепь представляет собой связную линейную структуру из «звеньев «, каждое из которых связано с соседними звеньями отношениями «пища — потребитель». В качестве звеньев цепи выступают группы организмов, например, конкретные биологические виды. Связь между двумя звеньями устанавливается, если одна группа организмов выступает в роли пищи для другой группы. Первое звено цепи не имеет предшественника, то есть организмы из этой группы в качестве пищи не использует другие организмы, являясь продуцентами. Чаще всего на этом месте находятся растения, грибы, водоросли. Организмы последнего звена в цепи не выступают в роли пищи для других организмов.

Каждый организм обладает некоторым запасом энергии, то есть можно говорить о том, что у каждого звена цепи есть своя потенциальная энергия. В процессе питания потенциальная энергия пищи переходит к её потребителю. При переносе потенциальной энергии от звена к звену до 80−90% теряется в виде теплоты. Данный факт ограничивает длину цепи питания, которая в природе обычно не превышает 4−5 звеньев. Чем длиннее трофическая цепь, тем меньше продукция её последнего звена по отношению к продукции начального.

Существует 2 основных типа трофических цепей — «пастбищные «и «детритные «.

В пастбищной трофической цепи (цепь выедания) основу составляют автотрофные организмы, затем идут потребляющие их растительноядные животные (например, зоопланктон, питающийся фитопланктоном), потом хищники (консументы) 1-го порядка (например, рыбы, потребляющие зоопланктон), хищники 2-го порядка (например, щука, питающаяся другими рыбами). Особенно длинны трофические цепи в океане, где многие виды (например, тунцы) занимают место консументов 4-го порядка.

В детритных трофических цепях (цепи разложения), наиболее распространенных в лесах, большая часть продукции растений не потребляется непосредственно растительноядными животными, а отмирает, подвергаясь затем разложению сапротрофными организмами и минерализации. Таким образом, детритные трофические цепи начинаются от детрита, идут к микроорганизмам, которые им питаются, а затем к детритофагам и к их потребителям — хищникам. В водных экосистемах (особенно в эвтрофных водоемах и на больших глубинах океана) значит, часть продукции растений и животных также поступает в детритные трофические цепи.

Перенос энергии от ее источника (растений) через ряд организмов называют пищевой цепью. Все живые организмы связаны между собой энергетическими отношениями, поскольку являются объектами питания других организмов. Травоядные животные (потребители первого порядка) поедают растения, первичные хищники (потребители второго порядка) поедают травоядных, вторичные хищники (потребители третьего порядка) поедают хищников помельче. Таким образом создаются пищевые цепи из продуцентов и консументов, которые на разных этапах смыкаются с сообществом редуцентов.

На суше пищевые цепи первого типа состоят обычно из 3−5 звеньев, например: растения — овца — человек — трехзвенная цепь; растения — кузнечики — ящерицы — ястреб — четырехзвенная цепь; растения — кузнечики — лягушки — змеи — орел — пятизвенная цепь. Через пищевые цепи биогеоценозов суши подавляющее количество прироста растительной биомассы поступает через опад в цепи разложения.

В морях распространены такие типы цепей: фитопланктон — рыбы — хищные птицы; фитопланктон — мелкие ракообразные — рыбы, питающиеся мелкими рачками и ракообразными — хищные рыбы — хищные птицы. В водных сообществах большая часть биомассы, накопленной одноклеточными водорослями, проходит через цепь выедания и значительно меньшая включается в цепь разложения.

Все типы пищевых цепей всегда существуют в сообществе таким образом, что член одной цепи является также членом другой. Соединение цепей образует пищевую сеть экосистемы. Угнетение или разрушение любого звена экосистемы с неизбежностью отразится на экосистеме в целом. Поэтому вмешиваться в жизнь экосистем надо с большой осторожностью и осмотрительностью.

В первичной продуктивности различают валовую и чистую продуктивность. Валовая первичная продуктивность — это скорость, с которой растения накапливают химическую энергию при фотосинтезе. Часть ее — около 20% - они тратят на дыхание — поддержание собственной жизнедеятельности, которая затем в виде теплоты выделяется в окружающую среду и теряется для экосистемы. Скорость накопления органического вещества продуцентами за вычетом расхода на дыхание называется чистой первичной продуктивностью. Это энергия, которую могут использовать организмы следующих трофических уровней. Скорость накопления органического вещества на уровнях консументов называется вторичной продуктивностью.

Из рассмотренного механизма передачи энергии по цепи живого вещества в экосистеме видно, что в каждом звене пищевой цепи часть энергии — около 90% - теряется. Поэтому длина пищевой цепи ограничивается размерами этих потерь и, как правило, составляет 3 — 4 уровня.

В результате последовательности превращений энергии в пищевых цепях каждое сообщество живых организмов в экосистеме приобретает определенную трофическую структуру. Трофическая структура сообщества отражает соотношение между продуцентами, консументами (отдельно первого, второго и т. д. порядков) и редуцентами, выраженное или количеством особей живых организмов, или их биомассой, или заключенной в них энергией, рассчитанных на единицу площади в единицу времени. Графически трофическую структуру сообщества представляют в виде пирамиды. Основанием пирамиды служит первый трофический уровень — уровень продуцентов, а последующие уровни образуют следующие этажи пирамиды. При этом высота всех блоков-этажей — одинакова, а длина пропорциональна числу, биомассе или энергии на соответствующем уровне.

Реальные пищевые цепи в естественных условиях могут быть очень ветвистыми. Множество трофических цепей, переплетаясь в экосистеме, образуют сложные пищевые цепи.

При поедании одних организмов другими вещество и пища переходят на следующий трофический уровень. Количество органического вещества, накопленного гетеротрофами, называется вторичной продукцией. Поскольку гетеротрофы дышат и выделяют не переваренные остатки, в каждом звене часть энергии теряется. Это накладывает существенное ограничение на длину пищевых цепей; количество звеньев в них редко бывает больше

1.2 Задание № 25. Особенности функционирования типичных наземных экосистем

В каждой наземной экосистеме есть абиотический компонент — биотоп, или экотоп — участок с одинаковыми ландшафтными, климатическими, почвенными условиями; и биотический компонент — сообщество, или биоценоз — совокупность всех живых организмов, населяющих данный биотоп. Биотоп является общим местообитанием для всех членов сообщества. Биоценозы состоят из представителей многих видов растений, животных и микроорганизмов. Практически каждый вид в биоценозе представлен многими особями разного пола и возраста. Они образуют популяцию (или часть популяции) данного вида в экосистеме. Биоценоз очень трудно рассматривать отдельно от биотопа, поэтому вводят такое понятие, как биогеоценоз (биотоп+биоценоз). Биогеоценоз — элементарная наземная экосистема, главная форма существования природных экосистем. Этот термин ввел В. Н. Сукачев.

Для наземной экосистемы характерна ярусность, т. е. разделение на разновысокие структурные части. Для каждого яруса чаще всего характерен собственный биоценоз.

Все существующие естественные экологические системы можно разделить на два основных типа — наземные и водные. Несмотря па то что в обоих типах сообществ присутствуют и действуют основные экологические компоненты, существуют значительные функциональные и структурные отличия.

В сухопутных (наземных) экосистемах продуценты (автотроф-ный компонент) представляют собой крупные организмы, у которых от года к году происходит накопление биомассы. Например, прирост деревьев в лесу, рост трав за сезон вегетации, созревание семян и плодов (накопление надземной биомассы) или разрастание корневой системы травянистых растений на лугах и в степях (накопление подземной биомассы). Накопленную биомассу можно изъять и виде урожая.

Наземные экосистемы играют особую роль в жизни человека, поскольку урожай в них можно получать на всех трофических уровнях в отличие от водных сообществ, где используется только верхняя часть экологической пирамиды. Следовательно, особенности двух типов экосистем необходимо учитывать при эксплуатации природных ресурсов.

Между крайними типами экосистем существует множество переходных вариантов, тесно связанных друг с другом. Различные экосистемы взаимодействуют, образуя сложную структуру биосферы. Между экосистемами происходит обмен живыми организмами и их зачатками (личинками, спорами, семенами и т. п.). Благодаря подвижности воздуха и воды, перепадов (градиента) температуры, диффузии газов происходит расселение растений, животных и микроорганизмов. Птицы и насекомые перемещаются во время сезонных перелетов — так же, как другие животные во время кочевок.

Вещество перемещается в виде твердых и жидких частиц. Часто минеральные элементы сдуваются ветром и смываются водой с горных пород. Обмен энергией происходит как в виде тепла, так и в виде энергии химических связей (т. е. органических соединений).

По отношению к межбиоценотическим связям можно выделить три основные группы наземных экосистем:

1. стабильные сообщества, расположенные на равнинных междуречьях, в которых вынос веществ в другие экосистемы и получение их со стороны незначительны;

2. мало теряющие, но много получающие биоценозы, располо женные на низких уровнях рельефа, где накапливаются большие запасы органического вещества;

3. много теряющие, но мало получающие экосистемы на крутых склонах. Так образуется цепь экосистем, перераспределяющая веще ство и энергию в биосфере.

Наземные экосистемы, поглощая или выделяя огромное количество парниковых газов (СО2, метана, оксидов азота), тем самым не только участвуют в глобальном круговороте углерода, но и оказывают заметное влияние на климат. Однако не меньшее значение имеет и обратное воздействие — влияние климата на процессы, протекающие в экосистемах.

2 Охрана природы

2.1 Задание № 4. Понятие о предельно-допустимой концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосфере

Предельно допустимая концентрация (ПДК) вредных веществ — это максимальная концентрация вредного вещества, которая за определенное время воздействия не влияет на здоровье человека и его потомство, а также на компоненты экосистемы и природное сообщество в целом.

В атмосферу поступает множество примесей от различных промышленных производств и автотранспорта. Для контроля их содержания в воздухе нужны вполне определенные стандартизированные экологические нормативы, поэтому и было введено понятие о предельно допустимой концентрации. Величины ПДК для воздуха измеряются в мг/м3. Разработаны ПДК не только для воздуха, но и для пищевых продуктов, воды (питьевая вода, вода водоемов, сточные воды), почвы.

Предельной концентрацией для рабочей зоны считают такую концентрацию вредного вещества, которая при ежедневной работе в течение всего рабочего периода не может вызвать заболевания в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколений. Предельные концентрации для атмосферного воздуха измеряются в населенных пунктах и относятся к определенному периоду времени. Для воздуха различают максимальную разовую дозу и среднесуточную.

В зависимости от значения ПДК химические вещества в воздухе классифицируют по степени опасности. Для чрезвычайно опасных веществ (пары ртути, сероводород, хлор) ПДК в воздухе рабочей зоны не должна превышать 0,1 мг/м3. Если ПДК составляет более 10 мг/м3, то вещество считается малоопасным. К таким веществам относят, например, аммиак.

Таблица 1.

Предельно допустимые концентрации некоторых газообразных веществ в атмосферном воздухе и воздухе производственных помещений

* Повторные работы в условиях повышенного содержания СО в воздухе рабочей зоны могут проводиться с перерывом не менее 2 часов

Таблица 2.

Предельно допустимые концентрации некоторых ионов в питьевой воде

Таблица 3.

Предельно допустимые концентрации некоторых вредных веществ в питьевой воде

Таблица 4

Предельно допустимые концентрации некоторых химических элементов в почве

ПДК устанавливаются для среднестатистического человека, однако ослабленные болезнью и другими факторами люди могут почувствовать себя дискомфортно при концентрациях вредных веществ, меньших ПДК. Это, например, относится к заядлым курильщикам.

Величины предельно допустимых концентраций некоторых веществ в ряде стран существенно различаются. Так, ПДК сероводорода в атмосферном воздухе при 24-часовом воздействии в Испании составляет 0,004 мг/м3, а в Венгрии — 0,15 мг/м3 (в России — 0,008 мг/м3).

В нашей стране нормативы предельно допустимой концентрации разрабатываются и утверждаются органами санитарно-эпидемиологической службы и государственными органами в области охраны окружающей среды. Нормативы качества окружающей среды являются едиными для всей территории РФ. С учетом природноклиматических особенностей, а также повышенной социальной ценности отдельных территорий для них могут быть установлены нормативы предельно допустимой концентрации, отражающие особые условия.

При одновременном присутствии в атмосфере нескольких вредных веществ однонаправленного действия сумма отношений их концентраций к ПДК не должна превышать единицу, однако это выполняется далеко не всегда. По некоторым оценкам, 67% населения России живут в регионах, где содержание вредных веществ в воздухе выше установленной предельно допустимой концентрации. В 2000 содержание вредных веществ в атмосфере в 40 городах с суммарным населением около 23 млн. человек время от времени превышало предельно допустимую концентрацию более чем в десять раз.

При оценке опасности загрязнения в качестве образца сравнения служат исследования, проводимые в биосферных заповедниках. А вот в крупных городах природная среда далека от идеальной. Так, по содержанию вредных веществ Москву-реку в пределах города считают «грязной рекой» и «очень грязной рекой». На выходе Москвы-реки из Москвы содержание нефтепродуктов в 20 раз больше предельно допустимых концентраций, железа — в 5 раз, фосфатов — в 6 раз, меди — в 40 раз, аммонийного азота — в 10 раз. Содержание серебра, цинка, висмута, ванадия, никеля, бора, ртути и мышьяка в донных отложениях Москвы-реки превышает норму в 10−100 раз. Тяжелые металлы и другие ядовитые вещества из воды попадают в почву (например, при половодьях), растения, рыбу, сельскохозяйственную продукцию, питьевую воду, как в Москве, так и ниже по ее течению в Подмосковье.

Химические методы оценки качества окружающей среды очень важны, однако они не дают прямой информации о биологической опасности загрязняющих веществ — это задача биологических методов. Предельно допустимые концентрации являются определенными нормами щадящего воздействия загрязняющих веществ на здоровье человека и природную среду.

2.2 Задание № 37. Роль животных в круговороте веществ в природе

В биогенном круговороте веществ, являющемся природным механизмом поддержания жизни на планете, заметную роль играют животные, участвуя в потоках веществ экосистем.

К 70-м годам прошлого столетия разработка проблем, касающихся значения животных в биогенном круговороте химических элементов, получила бурное развитие.

Этот интерес определяется тем, что животные накапливают многие элементы, в том числе и те, повышенные концентрации которых могут оказаться токсичными для живого организма (ртути, свинца, селена, кадмия и др.).

Вместе с растениями животные играют исключительную роль в миграции химических элементов. Выделяют три основных аспекта деятельности животных в биогенном круговороте.

1. Миграция химических элементов в результате трофической деятельности животных. Накопление элементов в биомассе животных, потребление их животными и возврат в почву. Миграция элементов по трофическим цепям.

2.Влияние роющей и гнездостроительной деятельности животных на миграцию элементов в биогеоценозах.

3.Косвенное влияние животных на круговорот элементов в биогеоценозах в результате повреждения растений и др. процессов. Все формы участия животных в круговороте косвенно влияют на биогенную миграцию элементов растений и микроорганизмов. Геохимическая деятельность животных в бывшем СССР наиболее подробно изучалась на черноземах Курской области, где был определен химический состав животных 62 видов. Наиболее заметна роющая деятельность млекопитающих, дождевых червей, социальных насекомых.

Суммарная масса животных на 1 га почвенного слоя может достигать 4 т и все они вместе с микроорганизмами участвуют во всех процессах, протекающих в почве и соответственно, в биогенном круговороте веществ.

Участвуя в круговороте веществ в природе, влияя на состояние и развитие других ее компонентов, животные играют важную роль в жизни биосферы.

Основа жизни на Земле — зеленые растения, в тканях которых при поглощении энергии солнечных лучей из углекислоты, воды и минеральных солей образуются различные органические вещества. Однако животные — это не второстепенный компонент природы, лишь потребляющий вещества, созданные растениями. Животные участвуют в великом круговороте веществ в природе, без которого не может существовать ни один организм, не может продолжаться жизнь на Земле.

Любой природный комплекс организмов на поверхности нашей планеты включает три обязательных компонента: продуценты—зеленые растения, создающие органические вещества из неорганических; консументы — животные, в большинстве питающиеся растениями и перерабатывающие их ткани, рассеивающие органические вещества по поверхности почвы или в ее толще, и редуценты — бактерии и грибы, превращающие органические вещества, в том числе и рассеянные животными, опять в минеральные соли и газы. Последние снова могут быть использованы листьями и корнями растений. Так устанавливается в природе круговорот веществ и энергии с участием организмов.

Рисунок 1. Круговорот веществ в саваннах Африки и участие в нем животных. 1 — цветы; 2 — бабочки; 3 — саранча; 4 — экскременты насекомых; 5 — корни; 6 — термиты; 7 — травы; 8 — экскременты млекопитающих; 9 — копытные; 10 — растительные остатки; 11 —хищники; 12 — птицы.

Животные играют прежде всего важнейшую роль в образовании почв, особенно беспозвоночные — насекомые, клещи, кивсяки, дождевые черви и моллюски. Там, где много беспозвоночных-почвообразователей, очень хорошо развивается и растительный покров Земли.

Вторая исключительно важная роль животных — уничтожение больных и недостаточно жизнеспособных экземпляров растений. Так животные постоянно помогают естественному отбору, поддерживая жизнеспособность растений и ускоряя их эволюцию в направлении большей приспособленности к изменяющимся условиям жизни. Подобную же роль играют хищные и паразитические животные по отношению к растительноядным животным.

Хищные и паразитические животные сдерживают чрезмерное размножение растительноядных, иначе последние могли бы в течение немногих лет полностью уничтожить многие виды растений. Особенно большое значение имеют насекомоядные птицы, дневные хищные птицы и совы, летучие мыши, ящерицы, лягушки и жабы, муравьи, жужелицы, осы, мухи-ктыри, пауки и некоторые другие группы наземных позвоночных и беспозвоночных животных. Немалую роль играют и паразитические насекомые, нападающие на растительноядных, например наездники, бракониды, хальциды, мухи-тахины. Хищных и паразитических животных особенно много в теплых областях земного шара, где они успешно сдерживают размножение растительноядных. Только в тех природных ландшафтах, которые слишком сильно нарушены вмешательством человека (при выпасе скота, при пожарах, заготовках леса), или же на пахотных землях хищные и паразитические животные не всегда уживаются. Поэтому здесь постоянно происходят вспышки массового размножения растительноядных насекомых, причиняющих сильный вред дикорастущим и культурным растениям.

Очень существенна роль наземных животных в перекрестном опылении большинства видов покрытосемянных растений и разносе семян, особенно деревьев и кустарников. В опылении участвуют десятки тысяч видов диких пчел, распространенных от тропических гилей, саванн, пустынь и степей до высокогорных лугов и Арктики. Даже на севере Гренландии живут шмели — одна из групп крупных диких пчел. Много шмелей, предпочитающих ландшафты с прохладным климатом, в лесах и на лугах в средних широтах Северного полушария, где они опыляют самые различные цветущие растения, а также на высокогорных лугах в Альпах, на Кавказе, в горах Средней и Центральной Азии. В опылении цветущих растений участвуют и другие хорошо летающие насекомые: бабочки, осы, многие жуки и разнообразные мухи. А «разносчиками» семян различных деревьев, кустарников и некоторых трав выступают прежде всего высшие позвоночные животные — плодоядные и зерноядные птицы, а из млекопитающих — копытные и грызуны.

Обычно мы представляем себе животный мир в виде крупных млекопитающих и птиц, змей и рептилий. С тропическими лесами в нашем представлении связаны гориллы и орангутанги, удавы и тигры, райские птицы. Вспоминая животных саванн, мы называем слонов и львов, антилоп и зебр, грифов и страусов. Медведи, лоси, глухари — типичные представители нашей тайги. Но не эти животные играют главную роль в жизни природы. В процессах образования почв, в поедании растительности и переработке ее остатков, наконец, в опылении цветущих растений и распространении инфекций главную роль играют беспозвоночные: паукообразные, насекомые, мйогоножки, черви и т. д. Это объясняется не столько их исключительным разнообразием, сколько огромным числом особей. Действительно, крупных животных на 1 км² леса или степи, саванны или пустыни насчитываются единицы или десятки, в крайнем случае сотни, а их суммарный вес редко превышает 1 т. Беспозвоночных же на каждом квадратном километре множество, а их вес может достичь десятков тонн. Да к тому же они быстро размножаются и развиваются, перерабатывая тысячи тонн пищи — растений и других организмов или их остатков.

3 Список используемой литературы

1. Курбатова А. С., Башкин В. Н., Савин Д. С. Методологические основы оценки критических нагрузок поллютантов на городские экосистемы. НИиПИ ЭГ, 2003

2. Небел Б. Наука об окружающей среде. Как устроен мир, тт. 1−2. М., 1993

3. Ручин А. Б.; Экология популяций и сообществ; Учебник для ВУЗов Academia; 2006

4. Хабарова Е. И., Панова С. А. Экология в таблицах. Справочное пособие. М., Дрофа, 1999

5. Человек и среда его обитания. Хрестоматия. Под ред. Г. В. Лисичкина и Н. Н. Чернова. М., Мир, 2003