Материал: GOSy_otvety

67. Ключевые задачи и объекты экологии. Современные представления о структуре экологии. Особенности биоэкологии и агроэкологии.

Экология является теоретической базой охраны природы и изучает различные закономерности и законы при взаимодействии организмов и окружающей среды. Структура экологии:

1) Аутэкология изучает экологию особей, то есть взаимодействие организмов с окружающей средой

2) Демэкология - экология популяций, их взаимоотношение с окружающей средой

3) Синэкология - экология сообществ, их взаимоотношение с окружающей средой

4) Экосистемная экология - изучает взаимоотношение сообществ с абиотической внешней средой.

Основные задачи экологии:

1) Разработка теорий функционирования систем

2) Оценка воздействия на структурно-функциональную организацию и динамику систем (всех иерархических уровней) внешних факторов, в том числе и антропогенных

3) Разработка теоретических основ конструирования устойчивых биогеоценозов с использованием моделирования и компьютеров

4) Разработка системы естественных тестов-индикаторов и критериев к наблюдениям за состоянием ЭС

5) Управление природными ресурсами

Объектами исследования экологии: являются биологические макросистемы (популяции, биоценозы) и их динамика во времени и пространстве. Биоэкология – отношение живых организмов между собой и окружающей средой. Агроэкология – взаимодействие человека с окружающей средой в процессе сх производства, влияние сх на природные комплексы и их компоненты, взаимодействие компонентов агроэкосистем и круговорот веществ в них, перенос энергии и функционирование в условиях техногенных нагрузок.

68. Круговорот основных веществ и функции живого вещества в биосфере. Геохимические и биогеохимические циклы основных химических элементов (углерода, азота, серы).

Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии и энергии химических реакций называется биогеохимическим циклом. Энергетическая - фотосинтез, деструктивная - минерализация, концентрационная – накопление веществ, средообразующая – изменение вещественного состава биосферы, газовые – миграция газов и их превращения. Биосферный биогеохимический круговорот углерода – непрекращающийся процесс миграции, распределениярассеяния и концентрации углерода в системе "верхние слои литосферы – океан – нижняя часть атмосферы", соизмеримый с геологической историей земной коры. Данный круговорот определяется как биологическими, так и геологическими процессами (тектонические поднятия, седиментогенез, вулканическая деятельность и др.), в своей совокупности осуществляющими обмен углерода между сушей, океаном и атмосферой. Круговорот углерода в биосфере состоит из двух разных циклов, наземного и морского, связанных через границу между океаном и атмосферой. Круговорот, идущий в океане, в основном автономен. Диоксид углерода, растворенный в морской воде, усваивается фитопланктоном, а кислород уходит в раствор. Зоопланктон и рыбы потребляют углерод, фиксированный фитопланктоном, а кислород используют при дыхании. В результате разложения органических веществ в воду возвращается СО2, усвоенный фитопланктоном. Ежегодное сжигание примерно 5 млрд. т горючих ископаемых должно увеличить атмосферный запас СО2 на 0,7 %, т.е. к 320 млн.–1 (современное содержание СО2) ежегодно должно прибавляться почти на 2 млн.–4. На деле же за год концентрация СО2 в воздухе быстро уходит из атмосферы или в океан, или в наземную флору. Биосферный круговорот углерода состоит из двух разных циклов – наземного и морского (океанического).

Распределение СО2 между органическим веществом почвы, растительностью, атмосферой и океаном играет важную роль в формировании теплового баланса планеты, который зависит как от природных (фотосинтез растений, дыхание корней, животных и микроорганизмов, обменная диффузия на поверхности океана, метаморфизация органических материалов, поступление СО2 из глубин земной коры), так и от антропогенно-техногенных (обработка земли, выжигание растительности, сгорание топлива) процессов. Деятельность человека приводит к дополнительному накоплению углерода в атмосфере, которое катализирует парниковый эффект, что может привести к планетарному потеплению климата. Азот наиболее распространен на Земле в форме газообразного N2 атмосферы. И хотя азот важнейший компонент белков и нуклеиновых кислот, растения не могут непосредственно брать его из атмосферы. Они способны усваивать лишь связанный с кислородом или водородом азот, т.е. переведенный в другие химические формы - аммиак, ионы аммония, нитрат- и нитрит-ионы. Важнейшая часть цикла - связывание азота: азотфиксирующие бактерии, связывание в атмосферных процессах, промышленная фиксация. Последнее - возрастающая роль. Другой важный процесс цикла азота - восстановление нитрат-ионов до атмосферного азота. Осуществляется почвенными анаэробными бактериями - денитрификаторами. 5[CH2O] + 4NO3- + 4H+ --> 2N2 + 5CO2 + 7H2O Денитрификация - главная причина потерь азота в земледелии (до половины связанного в удобрениях азота уходит в атмосферу. Велика роль антрапогенного фактора в цикле азота. Прежде всего - промышленная фиксация азота (объемы сравнимы с природными). Основной метод фиксации - производство аммиака. Токсичный газ с резким запахом. Взаимодействует с кислотными осадками, образуя плотные туманы: NH3 + SO3 + H2O --> NH4(HSO4) Образование окислов азота при высокотемпературных процессах: N2 + O2 <--> 2NO; 2NO + O2 <--> 2NO2 В реакциях могут принимать участие свободные радикалы, образующиеся, например, в результате реакций в зоне автомобильного выхлопа: H3COO + NO <--> NO2+ H3CO. Оксиды азота обладают общетоксичным и раздражающим действием. Участвуют в образовании кислотных дождей и фотохимического смога (пероксиацилнитраты). Следует отметить среди веществ, обуславливающих антрапогенное воздействие, следует отметить нитриты и нитраты. В пищевой цепи из них образуются N-нитрозосоединения, в частности, нитрозамины. R2N-H + HO-N=O <--> R2N-N=O + H2O Обладают широким спектром токсического действия. Биогеохимический цикл серы имеет весьма своеобразную структуру. В эпоху образования земной коры сера существовала преимущественно в форме сульфидов металлов. Этому способствовали условия - высокая температура и недостаток кислорода в атмосфере. Воздействие появившейся позднее жидкой воды и углекислого газа привело к выделению сероводорода: CaS + CO2 +H2O = CaCO3 + H2S При взаимодействии с кислородом, под влиянием серобактерий сероводород окисляется до свободной серы: 2H2S + O2 = 2H2O + 2S При избытке кислорода образуется серная кислота: 2S + 3O2 + 2H2O = 2H2SO4 Последняя при взаимодействии с карбонатами дает сульфаты: CaCO3 + H2SO4 = CaSO4 + CO2 + H2O Помимо окислительных, в биогеохимическом цикле серы реализуются и восстановительные процессы (взаимодействие при повышенных температурах с органическими веществами): CaSO4 + CH4 ---> CaS + CO2 +2H2O ---> CaCO3 + H2S + H2O Кроме того, при участии растений и животных, сера из сульфатов встраивается в состав белка. Последний после гибели организма разлагается и сера выделяется в виде сероводорода. В естественном круговороте серы окислительные и восстановительные процессы сбалансированы. Действие антрапогенного фактора приводит к превалированию окислительных процессов: при выплавке металлов из сульфидных руд, производстве серной кислоты сульфиды постоянно переводятся в сульфаты. Это нарушает существующее кислотно-основное равновесие в окружающей среде и является одной из причин такого бедствия как кислотные дожди.

69. Окружающая среда. Экологические факторы. Основные факторы агрогенной и техногенной деградации экосистем.

(окружающая среда – вещество, энергия и пространство, окружающие живые организмы и воздействующие на них как положительно, так и отрицательно. Экологический фактор – элемент окружающей среды, положительно или отрицательно воздействующий на живые организмы, который при своем изменении вызывает у организмов ответные приспособительные эколого-физиологические изменения, наследственно закрепляющиеся в процессе эволюции. Классификация экофакторов - по происхождению – абиотические, биотические, природно-антропогенные, антропогенные, по среде возникновения (атмосферные, водные, орографические, эдафические, физиологические, популяционные, экосистемные, биосферные), по степени воздействия (летальные, экстремальные, лимитирующие, беспокоящие, мутагенные, тератогенные), по времени (эволюционные, исторические, действующие), по характеру действия (геофизические, географические, биогенные, биотические, эволюционные). абиотические – климатические, эдафические или почвенно-грунтовые – гранулометрический и химический состав почвы, ее физические свойства, орографические - условия рельефа. Биотические факторы – фитогенные – симбиоз, паразитизм и зоогенные – поедание, вытаптывание, опыление). Агрогенная деградация экосистем - переуплотнение, подкисление реакции, поступление к поверхности токсичных солей. Техногенная деградация экосистем - тяжелыми металлами, углеводородами, ядохимикатами, радионуклидами и пр.) - резкое изменение состава почвенных мигрантов и почвенного поглощающего комплекса и влияют на качественный и количественный состав почвенной биоты, вплоть до ее частичного или полного уничтожения. При этом трансформация вещественного состава почв может не вызывать изменения морфологического строения почвенного профиля. Чрезвычайно жесткая и продолжительная химическая агрессия на почву приводит к проявлению не только химического загрязнения, но и процессов химической трансформации морфологического строения почв, вплоть до стирания природных и образования новых техногенных горизонтов. Химическая трансформация может приводить к формированию горизонтов и новообразований, характерных для почв, формирующихся в иных природных условиях. Результатом названных процессов являются химически загрязненные и химически преобразованные почвы.

70. Основные представления об экологии. Базовые экологические понятия и термины. Законы экологии.

Экология - наука о взаимодействии организмов между собой и с окр средой (Ойкос – др гр – место пребывания человека). В сер 20 в наука о биосфере и экосистемах. Экосистема и биосфера – высшие уровни организации живого на Земле, способны к саморегуляции, т е к самосохранению, поддержанию видового состава, воспроизведению связей между отдельными видами. Осн понятия – антропогенная среда природная среда, измененная человеком, среда обитания – часть природной среды, окружающая живые организмы, с которой они взаимодействуют, экологический фактор – элемент окружающей среды, положительно или отрицательно воздействующий на живые организмы, который при своем изменении вызывает у организмов ответные приспособительные эколого-физиологические изменения, наследственно закрепляющиеся в процессе эволюции,окружающая среда – вещество, энергия и пространство, окружающие живые организмы и воздействующие на них, природная среда – совокупность природных абиотических и биотических факторов по отношению живых организмов независимо от контактов с человеком. Законы: Барри Коммонер – 1966 г: все связано со всем, все должно куда-то деваться, ничто не дается даром, природа знает лучше . Закон оптимума - любой экологический фактор имеет пределы положительного влияния на живые организмы. Закон экологической индивидуальности видов - был сформулирован в 1924 г. русским ботаником Л.Г. Раменским: экологические спектры (толерантность) разных видов не совпадает, каждый вид специфичен по своим экологическим возможностям. Закон лимитирующего фактора - наиболее значим для организма тот фактор, который более всего отклоняется от оптимального его значения. Закон был установлен в 1905 г. английским ученым Блеккером. Закон неоднозначного действия - действие каждого экологического фактора неоднозначно на разных стадиях развития организма – для головастика вода нужна, для лягушки нет. Закон взаимодействия экологических факторов - оптимальная зона и пределы выносливости организмов по отношению к какому-либо фактору могут смещаться в зависимости от того, в сочетании с какими другими факторами осуществляется воздействие, учитывается в сх для поддержания оптимальных условий жизнедеятельности культурных растений - при угрозе заморозков на почве в ср полосе в мае растения обильно поливают.

(1866-1903 – анализ окружающей среды химическими, физическими и биологическими методами, 1904-1958 – анализ экологии отдельных видов животных и растений, 1959 – 1974 – изучение экосистем, 1975 – настоящее время – профилизация. Парадигма – пример, образец – система понятий, выражающая черты действительности или модель постановки постановки проблем и их решения. Три экологических парадигмы – аутэкологическая – условия среды определяют встречаемость и жизнедеятельность организмов, синэкологическая – взаимодействие организмов и популяций определяет встречаемость и жизнедеятельность организмов, системная – организмы и окружающая среда образуют экосистему в которой организмы влияют на среду, а среда на организмы. На современном этапе - варианты системной парадигмы – компонентный – компоненты биоценоза или биосферы, биогеоценотический – взаимодействие между собой и друг с другом, геоструктурный – природные компоненты в системной связи друг с другом и с человеческим обществом и с космической средой, биоцентрический – биотическая авторегуляция, как механизм состояния и саморазвития биотического комплекса, антропоцентрический – человек и общество составная часть биосферы). Две основные особенности системной парадигмы экологии по Соловьеву В.А. – единый подход к изучению природных комплексов и применение математических методов к экологическим объектам. Современный этап – биоэкология – взаимоотношения живых систем, геоэкология – динамика и взаимодействие геосфер, прикладная – принципы охраны природы.

71. Основные типы биогеохимического круговорота (атмосферный, осадочный). Основные пулы круговорота и их анализ.

В каждом круговороте удобно различать две части, или два «фонда»: 1) резервный фонд — большая масса медленно движущихся веществ, в основном не связанных с организмами, 2) обменный фонд — меньший, но более активный, для которого характерен быстрый обмен между организмами и их непосредственным окружением. Если иметь в виду биосферу в целом, то биогеохимические круговороты можно подразделить на два основных типа: 1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере (океан) и 2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре. Разделение биогеохимических циклов на круговороты газообразных веществ и осадочные циклы основано на том, что некоторые круговороты, например те, в которых участвуют углерод, азот и кислород, благодаря наличию крупных атмосферных или океанических (или же и тех и других) фондов довольно быстро компенсируют различные нарушения. Например, избыток СО₂, накопившегося в каком-либо месте в связи с усиленным окислением или горением, обычно быстро рассеивается атмосферными потоками. Кроме того, усиленное образование углекислоты компенсируется ее потреблением растениями и превращением в карбонаты - в морях. Поэтому, циклы газообразных веществ с их громадными атмосферными фондами можно считать в глобальном масштабе хорошо "забуференными", т.к. их способность возвращаться к исходному состоянию велика. Самоконтроль циклов с резервным фондом в литосфере затруднен - они легко нарушаются в результате местных флуктуаций, что связано с малой подвижностью резервного фонда. Явление "забуференности" в этом случае не выражено. Циклы функционируют под действием биологических и геологических факторов. Существование биогеохимических циклов создает возможность для саморегуляции системы, что придает ей устойчивость - постоянный количественный состав по различным химическим элементам в ней. В связи с хозяйственной деятельностью человечества и вовлечением в окружающую среду техногенных продуктов этой деятельности, возникают проблемы, обусловленные нарушением природных биогеохимических циклов. Эти нарушения связаны как с изменением баланса в циклах, так появлением новых химических соединений, ранее отсутствующих в естественных процессах. Так, циклы некоторых элементов (например, азота, серы, фосфора, калия, тяжелых металлов) превратились в настоящее время в природно-антрапогенные, характеризующиеся значительной незамкнутостью, что приводит к накоплению их и, соответственно к изменению их воздействия на экосистемы. Пулы - педосфера является одним из основных резервуаров диоксида углерода в биосфере. Почвы участвуют в балансе СО2, СН4, связывая их в различных формах или, наоборот, способствуя их высвобождению в атмосферу, т.е. почвенный покров играет большую роль в газово-атмосферном режиме планеты. Пулы - Основным резервуаром углерода, азота, в биосфере является атмосфера, серы – литосфера, кислорода.

Глобальные, региональные и локальные нарушения природных биогеохимических циклов (на примере углерода, азота, серы и калия).

Глобальный характер хоз. деятельности человека приводит к качественным изменениям в естественной биогеохимич. цикличности природных процессов биосферы. По ряду параметров масштабы антропогенных воздействий сопоставимы с кол-вом веществ, вовлечённых в нормальные Б. ц. Техногенные продукты, поступающие в биосферу, перегружают нормальное её функционирование и выпадают частично или полностью из системы устойчивых Б. ц. Возникает новый тип техногенных геохимич. аномалий, наз. «неоаномалиями» или «антропоаномалиями». Они формируются на нормальном биогеохимич. фоне в чрезвычайно короткие сроки и охватывают не только живое вещество, но и биокосные тела биосферы (атмосферу, почвы, природные воды), проникают в глубокие горизонты земной коры. Происходит нарушение отлаженных во времени природных Б. ц. биосферы. Для ряда элементов и соединений Б. ц. становятся природно-антропогенными (циклы тяжёлых металлов, азота, серы, фосфора, калия и др.). Нек-рые создаваемые человеком материалы (пластмассы, детергенты и др. продукты хим. синтеза — г. н. ксенобиотики) не включаются в природные и природно-антропогенные циклы и не перерабатываются в биосфере. Меры борьбы с нарушением Б. ц. связаны с природоохранной деятельностью, созданием малоотходных технологий, широкой реутилизацией продуктов пром. и с-х произ-ва, с поисками путей оптимизации осн. характеристик Б. ц. и возможностью разумного управления ими. Углерода - общее уменьшение площади, занятой растительностью, в результате строительства и в особенности сведения лесов уменьшает потребление углекислого газа растениями. Итогом нарушения круговорота углерода может быть парниковый эффект. В настоящее время биологическая азотфиксация уменьшилась вследствие разрушения естественных экосистем и сравнялась с промышленной фиксацией азота. Происходит повсеместное уменьшение содержания органических соединений азота в почве (разрушение гумуса), что ведёт к снижению плодородия почв. Увеличение производства азотных удобрений для компенсации уменьшения биологического азота ведёт к загрязнению среды и расходованию большого количества энергии. Экология ставит задачей восстановление естественного цикла азота за счёт уменьшения производства азотных удобрений и расширения посевов бобовых, которые симбиотически связаны с бактериями - азотфиксаторами. Действие антрапогенного фактора приводит к превалированию окислительных процессов: при выплавке металлов из сульфидных руд, производстве серной кислоты сульфиды постоянно переводятся в сульфаты. Это нарушает существующее кислотно-основное равновесие в окружающей среде и является одной из причин такого бедствия как кислотные дожди.

72. Основные типы возрастного распределения популяции. Диагностика и прогноз демографического состояния популяции.

Соотношение возрастных групп в структуре популяции характеризуют ее способность к размножению и выживанию, и согласуется с показателями рождаемости и смертности. В растущих популяциях с высокой рождаемостью преобладают молодые (рис. 2), еще не репродуктивные особи, в стабильных – обычно это разновозрастные, полночленные популяции, у которых регулярно определенное число особей переходит из младших возрастных групп в старшие, рождаемость равна убыванию населения. В сокращающихся популяциях основу составляют старые особи, возобновление в них отсутствует или совсем незначительно.

73. Особенности внутривидовой и межвидовой конкуренции. Условия сосуществования биологически родственных видов.

(межвидовая конкуренция ограничивает спектр ресурсов, потребляемых данным видом. Особи одного вида, используя краевые ресурсы, по-видимому, не могут использовать их так же эффективно, как представители других видов, для которых эти ресурсы почти оптимальны. Область перекрывания между нишами при этом уменьшится, так что по мере специализации ниш они станут уже Размеры популяций одного или обоих конкурирующих видов, вероятно, также будут уменьшаться. Теория оптимального фуражирования дает менее точные предсказания. В тех случаях, когда конкурирующий вид избирательно снижает доступность определенного типа пищи или размеры кормовой территории, следует ожидать возникновения более специализированного кормового спектра. И напротив, когда конкурент одинаково сокращает доступность всех типов пищи и размеры кормовых территорий, предполагается расширение кормового спектра (числа видов-жертв). Пианка в своей гипотезе перекрывания ниш на основании формальных рассуждений постулировал обратную зависимость между интенсивностью конкуренции и степенью перекрывания ниш между парами видов. Когда потребность в ресурсах низка по сравнению с их наличием, потенциальные конкуренты могут выдержать относительно высокую степень перекрывания используемых ресурсов, не доводя конкуренцию до критических уровней. Если же отношение между потребностью в ресурсе и его наличием велико, то устойчивость к перекрыванию ниш должна быть ниже. Таким образом, предполагается большее разделение ниш при возрастании видового разнообразия, при котором предположительно происходит пропорциональное сокращение реализованных ниш взаимодействующих видов в результате межвидовой конкуренции. Внутривидовая конкуренция в тех случаях, к которым применима нормальная функция использования, имеющиеся ресурсы потребляются особями вида не в одинаковой степени. Те особи, которые используют данный ресурс в краевых, но зато менее оспариваемых точках его градиента, часто будут обладать более высокой индивидуальной приспособленностью, чем особи, использующие этот ресурс в зоне его оптимума, где конкуренция особенно велика. Поэтому принцип доминирования равных возможностей предсказывает, что поведение отдельной особи должно вести к стабилизации уровня внутривидовой конкуренции путем уравнивания соотношения между потребностью в ресурсе и его наличием вдоль его градиента.

Рис. 3.1. Изменения ширины ниши в условиях конкуренции. А. – Внутривидовая конкуренция — кривые потребления при низкой и высокой плотности популяции. Б. – Межвидовая конкуренция. Стрелки указывают направление изменений. В период роста популяции впервые особи будут использовать оптимальные ресурсы, но с увеличением ее плотности преимущества этих особей снижаются за счет повышения внутривидовой конкуренции. Это может благоприятствовать отклоняющимся особям, использующим не самые оптимальные, но менее оспариваемые ресурсы, что увеличивает разнообразие ресурсов и местообитаний, освоенных данной

видовой популяцией в целом. Понижение доступности самих ресурсов окажет такое же Внимание экологов к пищевым цепям может создать впечатление, что борьба видов за существование - это прежде всего борьба за выживание хищников и жертв. Однако это не так. Пищевые отношения не сводятся к отношениям "хищник - жертва": два вида животных в одном сообществе могут конкурировать из-за пищи, а могут кооперировать свои усилия. Источник пищи для одного вида часто является побочным продуктом деятельности другого. Зависимость животных, питающихся падалью, от хищников - только один из примеров. Менее очевидный случай - зависимость организмов, населяющих небольшие скопления воды в дуплах, от тех животных, которые эти дупла делают. Подобное извлечение одними организмами пользы из деятельности других называют комменсализмом. Если польза обоюдная, говорят о мутуализме или симбиозе. На самом деле отдельные виды в сообществе почти всегда находятся в двусторонних отношениях. Так, плотность популяции жертв зависит от активности хищников; сокращение численности последних может привести к настолько высокой плотности популяции жертв, что они начинают страдать от голода и эпидемий.