Контрольная работа № 1
Вопрос 8. Уровни биологической
организации
Уровни организации
живого, уровни биологической организации, биологические системы, различающиеся
по принципам организации и масштабам явлений. Основными уровнями биологической
организации, которые характеризуются специфическими взаимодействиями
компонентов и отчётливыми особенностями взаимоотношений с ниже и выше лежащими
системами, можно считать следующие: молекулярный, организменный,
популяционно-видовой и биогеоценотический (биосферный). Возможна и более детализдрованная классификация, включающая, в частности,
клеточный, тканевый и другие уровни
биологической организации. За пределами биологии существуют уровни более
низкие, чем молекулы, – атомы, электроны, протоны и др. ядерные частицы, а
также более высокие, чем биосфера, – Земля, небесные тела, космос. Понятие об
уровнях имеет широкое значение и относится к системам, которые существуют
благодаря связям, объединяющим составляющие их компоненты в целое. Связи в
пределах каждого уровня биологической организации носят конкретный характер.
Так, в клетке протекают биохимические процессы, действуют силы физической
природы; различные организмы, обитающие в одном водоёме, сохраняя присущие им
особенности, образуют замкнутую и относительно стабильную экологическую
систему, объединённую общим круговоротом веществ и пищевыми отношениями.
Благодаря системной природе живых существ Уровни биологической организации
становятся реальными и четко различимыми. Характеристика биологических систем
показывает, что при усложнении организации система низшего уровня биологической организации входит в систему,
следующую за ней, последняя – в ещё более высокую. Поэтому говорят об иерархии уровней
биологической организации. Иерархическая лестница уровней биологической
организации соответствует истории развития органического мира и является его
следствием. Согласно общепринятой концепции происхождения жизни, развитие
последней началось с органических молекул, образовавшихся без участия
организмов. Затем возникли примитивные предшественники клеток, появились клетки
и многоклеточные организмы. Каждому уровню биологической организации соответствуют свои уровни исследований,
биологической дисциплины: молекулярному уровню – биохимия, молекулярная
биология, молекулярная генетика, биоорганическая химия, биофизика; клеточному –
цитология; организменному – физиология; популяционно-видовому (вид) –
популяционная генетика, экология, систематика и т.п. Системный анализ
имеет целью исследование сложных, иерархических систем в самых различных сферах
действительности, не исключая и человеческое общество. Живые организмы с их
большим числом переменных величин и множеством внутренних связей относятся к
таким системам. Общая теория систем, развиваемая Л. Берталанфи,
родилась в биологии. Идея об уровнях биологической организации, тесно связанная
с представлением о системах, в своей основе является
диалектико-материалистической, т.к. даёт возможность объяснить целостность
и качественное своеобразие биологических объектов материальными факторами; она
имеет важное значение для понимания биологических закономерностей.
Вопрос 18. Классификация морских экосистем
Морские экосистемы
подразделяются:
-Микро (лужица, маленькая
речка)
-Мезо (озеро, море)
-Макро (все водное
пространство).
Вопрос 38. Схема кругооборота азота
Азот составляет примерно
78 % воздуха атмосферы. Часть его содержится в почве и в воде в виде
неорганических соединений (в виде аммонийных солей, а также нитритов и
нитратов), а часть – в форме органических соединений, входящих в состав
растительных и животных белков, аминокислот. Существует большой кругооборот
азота, включающий сушу и атмосферу, частью которого является малый кругооборот
(биотический). Общая упрощенная схема
кругооборота азота представлена на рис. 1.
Рис.1.
Кругооборот азота (упрощенно)
Биогеохимический цикл
азота с учетом антропогенных факторов рассмотрим подробнее. Азот в свободном
виде (в виде N2) недоступен растениям. Для своего роста растения могут
использовать лишь соли азотной и азотистой кислот, хуже – аммиачные соединения.
На границе воздушной
атмосферы и грунта содержится от 0,02 до 0,056 кг/м3 азота (летом и осенью
больше, чем зимой и весной, из-за грозовых разрядов). За год на 1 га в разных
частях земли выпадает 2,6-14,3 кг азота. Больше всего азота вблизи больших
химических предприятий, связанных с продуктами азота, поэтому в почву в радиусе
нескольких километров азотных удобрений не следует вносить.
Как же азот из воздуха попадает в почву в
связанном виде? Это возможно благодаря азотофиксирующим бактериям, живущим в
грунтах, а также сине-зеленым водорослям в водоемах. Поэтому их значение
необычайно велико. Примерами таких бактерий являются аэробные азотобактерии
(действуют в присутствии кислорода воздуха), анаэробные клостридиумы
Пастера (действуют без доступа О2), клубеньковые бактерии, живущие и
функционирующие в корнях-клубнях, в основном бобовых растений. Процесс фиксации
таков:
N2 + 3Н2 ® 2NН3 +
615,63 кДж.
(или 2N)
За год эти бактерии могут
запасать для растений до 20 –30 кг азота. Затем начинают выполнять свои функции
нитрифицирующие бактерии (упрощенно - нитритные и
нитратные), окисляющие аммиак (соответственно, до азотистой и азотной кислот):
2NН3 + 3О2 ® 2НNО2 +
2Н2О + 148 ккал;
2НNО2 + О2 ® 2НNО3 +
48 ккал.
Эти кислоты в процессе
обменных реакций в грунтовых растворах образуют соли (нитриты и нитраты),
которыми питаются растения:
К2СО3 + 2НNО3 ® 2КNО3 +
СО2 + Н2О.
(или СаСО3)
Растения используют
нитраты для синтеза белковых соединений, которые идут для питания другим живым
организмам (например, животным), синтезирующим свои аминокислоты и т.д.
Продукты выделения (экскреция) – мочевина и другие, трупы растений и животных
подвергаются деструкции и минерализуются сначала до аммиака и аммиачных
соединений (аммонификация) под действием бактерий, грибов, дождевых червей и
др., и далее до солей азотных кислот, а последние денитрифицирующими бактериями
до N2, уходящего в атмосферу (реакция 1). Частью в атмосферу азот удаляется и в
виде NН3. Затем начинается новый цикл.
5С6Н12О6 + 24КNО3 ® 30СО2 + 18Н2О
+ 24КОН + 12N2 + 9388,3 (1)
кДж/моль.
Часть аммиака после
аммонификации в почве нитрифицируется бактериями до солей (нитритов и нитратов)
и остается в почве для питания растений.
Итак, существуют
азотофиксирующие бактерии (азот переводят в NН3), нитрифицирующие (аммиак - в
основном, в соли НNО3), а денитрифицирующие разлагают нитратные соли, превращая
их в NН3 и даже до N2. Поэтому первые и вторые бактерии обогащают грунт
доступными для растений формами азота, а третьи – обедняют грунт азотом.
Более полная схема
кругооборота азота представлена на рис.2
Рис. 2. Схема
биотического кругооборота азота по Р.Риклефсу (1979
г.)
В геологический
кругооборот постоянно поступает часть азота в виде различных соединений, частью
используемых в сельском хозяйстве в качестве азотных удобрений. Азотсодержащие
вещества частью поступают и в реки, благодаря стоку которых выносятся в моря. Часть азота попадает в реки
и далее в моря за счет осадков, например, кислотных дождей (содержащих НNО3),
из-за выбросов оксидов азота (а также образования оксида азота в атмосфере при
грозах). Наибольшее содержание соединений азота в районах впадения рек в моря,
наименьшее – в центральных частях океанов. Азотсодержащие соединения
используются водорослями для синтеза органических веществ и поступают в
кругооборот океана, часть постепенно оседает на дно, потому, вынесение азота с
суши не увеличивает его концентрацию в морской воде. Неуправляемая же деятельность людей может
привести к сильному загрязнению окружающей среды, что нарушит природный баланс.
Тревожные изменения в биосфере уже и сейчас столь заметны. Это цветение рек,
чрезмерное размножение сине-зеленых водорослей, ускоряющееся заболачивание
природных водоемов, ухудшение качества воды и т.д.
Вопрос 58. Наблюдения и эксперименты при
изучении экосистем
В настоящее время создана
мировая сеть станций фонового мониторинга, на которых осуществляется слежение
за определенными параметрами состояния окружающей природной среды. Наблюдения
охватывают все типы экосистем: водные (морские и пресноводные) и наземные
(лесные, степные, пустынные, высокогорные). Эта работа проводится под эгидой
ЮНЕП.
Цель ГСМОС – изучение
Земли.
Задача изучения Земли как
целостной природной системы поставлена Международной
геосферно-биосферной программой (МГБП) и
решается на основе широкого применения космических средств наблюдений. МГБП,
осуществление которой началось с 1990 г., предусматривает семь ключевых
направлений разработок.
Закономерности
химических процессов в глобальной атмосфере и роль биологических процессов в
круговоротах малых газовых компонентов.
Проекты, выполняемые по
этим направлениям, ставят целью, в частности, анализ влияния изменений
содержания озона в стратосфере на проникновение к земной поверхности
биологически опасного ультрафиолетового излучения, оценку влияния аэрозолей на
климат и др.
2.
Влияние биогеохимических процессов в океане на климат и обратные влияния.
Проекты включают
комплексные исследования глобального газообмена между океаном и атмосферой,
морским дном и границами континентов, разработку методик прогнозирования
реакции биогеохимических процессов в океане на антропогенные возмущения в
глобальном масштабе, изучение эвфотической зоны
Мирового океана.
3.
Изучение прибрежных экосистем и влияния изменений землепользования.
4.
Взаимодействие растительного покрова с физическими процессами, ответственными
за формирование глобального круговорота воды.
В рамках этого
направления будут проводиться исследования по программе глобального
эксперимента с целью изучения круговорота энергии и воды в дополнение к
исследованиям по Всемирной программе исследований климата.
5.
Влияние глобальных изменений на континентальные экосистемы.
Будут разрабатываться
методики прогноза воздействия изменений климата, концентрации углекислого газа
и землепользования на экосистемы, а также обратных связей; исследоваться
глобальные изменения экологического разнообразия.
6.
Палеоэкология и палеоэкологические изменения и их последствия.
Будут проводиться
исследования с целью реконструкции истории изменений климата и окружающей среды
за период с 2000 г. до н.э. с временным разрешением не более 10 лет.
7.
Моделирование земной системы с целью прогноза ее эволюции.
Создаются численные
модели в глобальном масштабе, делаются количественные оценки взаимодействия
глобальных, физических, химических и биологических интерактивных процессов в
земной системе на протяжении последних 100 тысяч лет.
В рамках МГБП изучаются
биогеофизические круговороты углерода, азота, фосфора и серы, которые сейчас
определяются как природными, так и антропогенными факторами.
Антропогенные факторы
особенно существенны для круговорота углерода. Трудности изучения процессов
обусловлены неопределенностями, связанными с вкладом континентальной биомассы
(изменениями вследствие вырубки лесов, изменениями суммарной продуктивности
экосистем) и вариациями круговоротов других компонентов.
В глобальных круговоротах
важнейшую роль играет Мировой океан. Он функционирует как крупный резервуар
биогенных компонентов и составляет значительную долю продуктивности биосферы.
Для характеристики продуктивности Мирового океана используют такие параметры,
как биомасса фитопланктона, первичная продукция фитопланктона, концентрация
хлорофилла “а”. Для анализа используется спутниковая оптическая аппаратура типа
сканеров, приборов для измерения флуоресценции и т.п. Спутниковые наблюдения
обычно сопровождаются контрольными судовыми и буйковыми
наблюдениями.
Особенности
географического распределения экосистем, определение их границ, масштабов и
темпов антропогенного воздействия также исследуют с помощью спутниковых
дистанционных методов.
Важной подсистемой мониторинга
является изучение роли лесов в формировании биогеохимических круговоротов: их
влияние на формирование осадков, на энергетический баланс, климат, роль как
источника или стока углекислого газа и т.п.
При изучении
биологических процессов на суше ключевая роль отводится исследованию специфики
энергетического баланса различных экосистем: пустынь, лесов, саванн,
сельскохозяйственных районов и др.
Глобальные процессы
являются объектом пристального внимания индустриально развитых стран и
международного сотрудничества.
В рамках общего
соглашения между странами “Большой Семерки” и России создан международный
комитет по природно-ресурсным спутникам (IEOSC).
В рамках
Российско-Американской комиссии подписан ряд документов: Заявление о реализации
специальной экологической инициативы, Заявление о намерениях в совместном
осуществлении мер, связанных с сокращением выбросов газов, вызывающих
парниковый эффект, и др.
Заявление о реализации
специальной экологической инициативы подразумевает использование для решения
экологических проблем данных космических архивов, прежде всего разведданных.
Фотографии, накопленные за 30 лет, дали уникальный материал.
Примером программы
глобального мониторинга может быть система Environmental Observance System (EOS) в США. Программа рассчитана на
длительную перспективу – 15 лет, с началом в 1995 году. Она имеет
междисциплинарный характер и работает на основе данных наблюдений с трех
спутников, обслуживаемых персоналом постоянной орбитальной системы. В комплект
аппаратуры входит около 40 приборов: видеоспектрометры,
радиометры, лидарные зондировщики,
радиовысотомеры и др. EOS планируется как всеобъемлющая информационная система,
анализ данных которой позволит понять функционирование Земли как природного
комплекса “атмосфера – гидросфера – криосфера – биосфера”, позволит выявить
пределы его изменчивости, оценить направления будущей эволюции.
Гигантский объем
наблюдений при помощи спутников EOS требует серьезных уисилий
по обработке, анализу, архивации и выдаче данных.
Таким образом, задачи мониторинга
состояния окружающей среды в глобальном масштабе являются многокритериальными.
Одной из задач является определение величины допустимого воздействия на Землю,
в частности на биосферу Земли.
Допустимыми следует
считать такие воздействия, которые не приводят в ухудшению состояния биосферы
ни по одному из рассматриваемых параметров.
Основными
направлениями глобального мониторинга считаются изучение:
незначительных,
но проявляющихся повсеместно изменений, например, глобальных изменений климата
вследствие загрязнения;
эффектов,
связанных с распространением загрязняющих веществ на большие расстояния,
например, закисления среды под влиянием выбросов в
атмосферу серы;
антропогенных
воздействий, обладающих большой инерционностью эффектов, например, кумулятивного
эффекта органических пестицидов и др.
Контрольная работа № 2
Вопрос 8. Экосистемные законы
Существуют следующие экосистемные законы, принципы и правила:
- Принцип экологической
комплиментарности (дополнительности);
- Принцип экологической
конгруэнтности (соответствия);
- Закон связи
биотоп-биоценоз;
- Закон однонаправленности потока энергии;
- Закон внутренней
динамичности равновесия;
- Закон экологической
корреляции;
- Правило оптимальной
компонентной дополнительности.
Рассмотрим их
более подробно.
Для жизни
организмов необходимо определенное сочетание условий. Если все условия среды
обитания благоприятны, за исключением одного, то именно это условие становится
решающим для жизни рассматриваемого организма. Оно ограничивает (лимитирует)
развитие организма, поэтому называется лимитирующим фактором. Первоначально
было установлено, что развитие живых организмов ограничивает недостаток
какого-либо компонента, например, минеральных солей, влаги, света и т.п. В
середине XIX века немецкий химик органик Юстас Либих
первым экспериментально доказал, что рост растения зависит от того элемента
питания, который присутствует в относительно минимальном количестве. Он назвал
это явление законом минимума; в честь автора его еще называют законом Либиха.
В современной
формулировке закон минимума звучит так: выносливость организма определяется
самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей. Однако, как
выяснилось позже, лимитирующим может быть не только недостаток, но и избыток
фактора, например, гибель урожая из-за дождей, перенасыщение почвы удобрениями
и т.п. Понятие о том, что наравне с минимумом лимитирующим фактором может быть
и максимум, ввел спустя 70 лет после Либиха американский зоолог В.Шелфорд, сформулировавший закон толерантности. Согласно
закону толерантности лимитирующим фактором процветания популяции (организма)
может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, а диапазон
между ними определяет величину выносливости (предел толерантности) или
экологическую валентность организма к данному фактору.
Благоприятный
диапазон действия экологического фактора называется зоной оптимума (нормальной
жизнедеятельности). Чем значительнее отклонение действия фактора от оптимума,
тем больше данный фактор угнетает жизнедеятельность популяции. Этот диапазон
называется зоной угнетения. Максимально и минимально переносимые значения
фактора - это критические точки, за пределами которых существование организма
или популяции уже невозможно.
В
соответствии с законом толерантности любой избыток вещества или энергии
оказывается загрязняющим среду началом. Так, избыток воды даже в засушливых
районах вреден и вода может рассматриваться как обычный загрязнитель, хотя в
оптимальных количествах она просто необходима. В частности, избыток воды
препятствует нормальному почвообразованию в черноземной зоне.
Виды, для
существования которых необходимы строго определенные экологические условия,
называют стенобионтными, а виды, приспосабливающиеся к экологической обстановке
с широким диапазоном изменения параметров, - эврибиотными.
Среди
законов, определяющих взаимодействие индивида или особи с окружающей его
средой, выделим правило соответствия условий среды генетической
предопределенности организма. Оно утверждает, что вид организмов может
существовать до тех пор и постольку, поскольку окружающая его природная среда
соответствует генетическим возможностям приспособления этого вида к ее
колебаниям и изменениям.
Обобщая
законы функционирования экосистем, сформулируем еще раз основные их положения:
1) природные
экосистемы существуют за счет не загрязняющей среду даровой солнечной энергии,
количество которой избыточно и относительно постоянно;
2) перенос
энергии и вещества через сообщество живых организмов в экосистеме происходит по
пищевой цепи; все виды живого в экосистеме делятся по выполняемым ими функциям
в этой цепи на продуцентов, консументов, детритофагов и редуцентов - это
биотическая структура сообщества; количественное соотношение численности живых
организмов между трофическими уровнями отражает трофическую структуру
сообщества, которая определяет скорость прохождения энергии и вещества через
сообщество, то есть продуктивность экосистемы;
3) природные
экосистемы благодаря своей биотической структуре неопределенно долго
поддерживают устойчивое состояние, не страдая от истощения ресурсов и
загрязнения собственными отходами; получение ресурсов и избавление от отходов
происходят в рамках круговорота всех элементов.
Вопрос 28. Емкость среды и сопротивление среды
Емкость среды - размер
способности природного или природно-антропогенного окружения обеспечивать
нормальную жизнедеятельность определенному числу организмов и их сообществ без
заметного нарушения самого окружения. Емкость среды- это :
1) число особей или их
сообществ, потребности которых могут быть удовлетворены ресурсами данного
местообитания без заметного ущерба для его дальнейшего благосостояния;
2) способность природной
среды включать в себя (абсорбировать) различные (загрязняющие) вещества,
сохраняя устойчивость.
Объектом изучения демоэкологии, или популяционной экологии, служит популяция.
Популяцию определяют как
группу организмов одного вида (внутри которой особи могут обмениваться
генетической информацией), занимающую конкретное пространство и функционирующую
как часть биотического сообщества.
Популяция характеризуется рядом признаков; единственным их
носителем является группа, но не особи в этой группе. Важнейшее свойство
популяции -плотность, т. е. число особей, отнесенное к некоторой единице
пространства.
Численность популяции определяется в основном двумя
противоположными явлениями - рождаемостью и смертностью.
Экспоненциальная
кривая выражает так называемый биотический потенциал. Популяции
В природе в основном наблюдается иная картина. Прежде всего,
коэффициент прироста не остается постоянным, так как рождаемость и смертность
меняются в зависимости от условий среды и возраста организмов, а пища и
территория редко предоставлены в достаточном объеме.
Чаще всего
реальный рост численности популяции выражается S-образной зависимостью, которую
называют логистической
кривой роста (рис. 3). Уравнение логистической кривой
отличается от уравнения биотического потенциала корректирующим фактором:
(K-N)/K, где К - максимальное число особей, способных жить в рассматриваемой
среде, т. е. асимптота кривой, N - численность популяции. Пространство,
заключенное между биотическим потенциалом и логистической
кривой роста, представляет собой сопротивление среды.
Рис.3. Экспоненциальная (а) и логистическая (б) кривые роста популяции. Заштрихованная
площадь - сопротивление среды.