Створюючи в своїх інтересах штучні екосистеми, людина повинна слідувати об'єктивним закономірностям існування і функціонування природних екологічних систем. Природні екосистеми існують протягом тривалого часу і мають певною стабільністю в часі і просторі. Для підтримки цієї стабільності необхідні збалансованість потоків речовини і енеpгіі, процесів обміну речовин між живими організмами і навколишнім середовищем.
гомеостаз(Грец. Homoios - подібний, однаковий; stasis - стояння) - здатність біологічних систем протистояти змінам умов життя і зберігати стан рівноваги (Стан рухомо-стабільної рівноваги екосистеми) тобто здатність біологічного об'єкта до саморегуляції при зміні умов навколишнього середовища; для організму збереження сталості внутрішнього середовища організму і стійкість основних фізіологічних функцій при зміні зовнішніх умов.
екологічна рівновага - це стан екосистеми, при якому склад і продуктивність біоценозу в будь-конкретні моменти часу найбільш повно відповідають абиотическим (неживим) умов - грунті, клімату, наявності вологи.Живі організми мають властивість підтримувати деякі свої характеристики в допустимих межах, якщо зовнішні умови не є катастрофічними. Наприклад, наш організм має системи підтримування досить постійного кров'яного тиску і температури.
зворотні зміни в екосистемі - це зміни екосистеми протягом року, від весни і до весни, при коливаннях клімату в різні роки і зміни ролі деяких видів у зв'язку з ритмами їх життєвого циклу. При таких змінах видовий склад екосистеми зберігається, вона лише підлаштовується до коливань зовнішніх і внутрішніх факторів. В окремі сезони року деякі компоненти екосистеми можуть бути відсутніми або впадати в стан глибокого спокою: відліт птахів на зиму, поховання насіння в посушливий рік, зимова сплячка комах і деяких жівотних.Екосістеми, як і організми, здатні до саморегулювання і самопідтримки. Наприклад, чисельність будь-якої популяції регулюється в таких межах, щоб уникнути перенаселення екосістеми.Как і в технічних системах, в екосистемах здійснюється два види зворотного зв'язку. Позитивний зворотний зв'язок - це зв'язок, що підсилює відхилення, необхідне для виживання і росту організмів. Негативний зворотний зв'язок - це зв'язок, що ослабляє дію сприятливих чинників і дозволяє уникнути, наприклад, стрімкого розростання популяції того чи іншого виду організмов.В великих, зрілих екосистемах підтримується самокорегуюча гомеостаз в результаті взаємодії кругообігу речовин і потоку енергії. У зв'язку з цим екосистеми Землі і сама біосфера знаходяться в стійкому состояніі.Однако стійкість екосистем і дію механізмів саморегуляції мають межу, після досягнення якого посилюються зворотні зв'язки призводять до загибелі системи.граничний ефект – мале зміна або вплив може виявитися критичним і викликати негативні наслідки (якщо система знаходиться в предпороговой області).
приклади: масова загибель дерев після тривалого впливу забрудненого повітря; опустелювання територій; глобальне втручання людини в земному круговорот енергії і речовин за допомогою спалювання все в більших кількостях викопного палива.
До якої це призведе екологічної катастрофи поки важко передбачити.
Екосистему можна вивести зі стану рівноваги багатьма способами. Зазвичай це буває пожежа, повінь або посуха. Після такого порушення рівноваги нова екосистема сама себе відновлює, і цей процес носить регулярний характер і повторюється в самих різних ситуаціях.
Що ж відбувається в порушеною екосистемі? На місці порушення певні види і вся екосистема розвиваються таким чином, що порядок появи цих видів однаковий для схожих порушень і схожих ареалах. У цій послідовній зміні одних видів іншими і полягає суть екологічної сукцесії.
наприклад, в більшості північно-східних штатів США в XVIII столітті землі, зайняті лісами, були розчищені, і на цих територіях були побудовані ферми, в XIX столітті тривала обробка цих земель, а в ХХ столітті ферми були занедбані і ділянки знову стали перетворюватися в ліси.
Рослини, з плином часу заселили поля, з'являлися в певній, вже відомою і строго повторюється послідовності. У перший рік виростали однорічні бур'яни і поодинокі сіянці дерев. Протягом кількох наступних років відбувалося заселення певними видами (це так звані «піонерні види», або, висловлюючись більш науково, ранні сукцессіонние види), Які починали переважати.
Типовий піонерний вид - сосна Веймутова. Вона росте дуже швидко, і її насіння поширюються на велику територію. Протягом декількох десятиліть піонерні види утворювали густий ліс.
Наступний етап - поява дерев, які добре ростуть у тіні піонерних видів, - наприклад, кленів. Через півстоліття піонерні дерева ставали зрілими і поступово гинули. Їх насіння вже не могли проростати під покровом лісу, і склад популяції дерев зсувається в бік повільно зростаючих новачків - так званих пізніх сукцессіонних видів.
Зрештою весь ліс став складатися з цих видів дерев, що і спостерігають щороку восени жителі Нової Англії, коли листя дерев змінюють забарвлення і ліс набуває вогненний колір, характерний для кленів.
Такий приклад швидкозростаючих піонерів з подальшим заселенням повільно ростуть видами спостерігається в багатьох екосистемах. Наприклад, на нещодавно утворених прибережних піщаних дюнах першою з'являється піщаний очерет. Ця трава допомагає зміцнити дюни так, щоб в них змогли вкоренитися види-наступники (спочатку чагарники, а потім і дерева).
сукцесія - процес, при якому одні спільноти видів рослин і тварин замінюються серією інших, і зазвичай більш складних співтовариств (послідовна зміна одного біоценозу іншим, а разом з ним зміна екосистем, котрі виникає на одній і тій же території під впливом природних фактоpов або людини).
З плином часу екосистеми змінюються (заростання водойми або вирубки).
Розрізняють первинну і вторинну сукцесії.
первинна являє собою процес розвитку і зміни екосистем на незаселених раніше ділянках (іншими словами, порожніх місць).
Цікавим прикладом первинної сукцесії може служити заселення острова Кракатау, розташованого в Індонезії.
Рано серпневого ранку 1883 р вибухнула вершина вулкана Кракатау. Його вибухове виверження і що послідувала за цим потужна хвиля цунамі заввишки до 40 м забрали життя понад 36 тис. Чоловік. Звук вибуху тоді було чути на відстані 4650 км, гуркіт розірвав барабанні перетинки моряків за 40 км від нього, а атмосферні ефекти спостерігалися по всьому світу. На повітря було піднято 24 км 3 скель. Гарячий попіл засипав територію площею понад 800 тис. Км. Від острова залишилася тільки гора, вкрита попелом.
Інтенсивні зорі, що виникли в результаті зменшення прозорості атмосфери, спостерігалися тут протягом кількох років. Все живе було поховано під потоками палаючої лави. Не залишилося ніяких ознак життя. Навіть найдрібніші суперечки і насіння рослин опинилися в полоні стихії, що розбушувалася.
Перед вченими відкрилася перспектива вивчення розвитку життя при природному заселенні субстрату голих скель, що виник після виверження.
Вперше поселяються в них організми називають піонерами.
Якщо розглядати сукцесію на кинутих землях, які не використовуються в сільському господарстві, то можна помітити, що колишні поля швидко покриваються різноманітними однорічними рослинами. Сюди ж потрапляють насіння деревних порід: сосни, ялини, берези, осики. Вони легко і на великі відстані розносяться вітром, а також тваринами.
Потрапивши на слабозадерненную грунт, насіння починає проростати, причому в найбільш сприятливому становищі опиняються дрібнолисті породи (береза, осика). Хвойні зазвичай гинуть через бурхливого розвитку трав, під впливом розкладається осаду або від великої кількості мінеральних елементів.
Спочатку зміни відбуваються швидко, потім швидкість сукцессии знижується в міру появи рослин, що розвиваються більш повільно. Сходи берези утворюють густу поросль, яка затінює грунт, і навіть якщо разом з березою проростають насіння ялини, її сходи, опинившись в досить несприятливих умовах, сильно відстають від березових.
Світлолюбна береза \u200b\u200bє серйозним конкурентом їли, до того ж специфічні біологічні особливості дають їй переваги в рості. Березу називають « піонером ліси », так як вона майже завжди першою поселяється на порушених землях і володіє широким діапазоном пристосовності.
Берізки у віці 2-3 років можуть досягати висоти 100-120 см, тоді як ялинки в тому ж віці ледве дотягують до 10 см. Поступово до 8-10 років берези формують стійке березове насадження висотою до 10-12 м.
Серед прозорий полога берези починає підростати і ялина, утворюючи підріст різного ступеня густоти. Зміни відбуваються і в нижньому, трав'яний-кустарпічковом ярусі. У міру змикання крон берези світлолюбні види, характерні для початкових стадій сукцесії, поступово починають випадати, поступаючись місцем тіньовитривалим.
класичним прикладом первинної сукцесії є поступове обростання скелі лісом або зміна озерної екосистеми лісової.
Сукцесія голою кам'янистій місцевості починається з вивітрювання гірських порід під дією абіотичних факторів - температури, вологості, сонячного світла. Руйнування порід продовжують бактерії, гриби, водорості, синьо-зелені, накипні лишайники.
Продуцентами органічної речовини на початкових етапах є синьо-зелені, водорості лишайників і вільно живуть водорості. Особливо невибагливі синьо-зелених, вони здатні самостійно засвоювати азот атмосфери. Харчова незалежність дозволяє синьо-зелених освоювати незаселені скелі. Їх відмирають організми збагачують середу азотом.
Утворені в процесі життєдіяльності первинних поселенців органічні кислоти розчиняють породи і сприяють мінералізації народжується грунтового шару. В результаті діяльності такого біоценозу накопичується поживна суміш органічних і мінеральних сполук з рослинними залишками, збагаченими азотом.
На поживної суміші виростають невибагливі спорові рослини, що не мають коренів, - мохи, кущисті лишайники (їх коренеподібні вирости називають ризоидами). У міру відмирання примітивної рослинності формується тонкий шар грунту. З'являються трав'янисті рослини - осока, злаки, конюшина, затінюють перших поселенців і позбавляють їх вологи. Піонерські види поступово витісняються. Слідом за травами з'являються чагарники, готується грунт для розвитку деревної рослинності.
вторинна сукцесія - це відновлення екосистем, колись уже існували на цій території (послідовний розвиток спільнот в ареалі, де природна рослинність знищена або сильно порушена, але грунт і донні відкладення збережені).
Вторинні сукцесії з'являються в станціях, які вже були заселені, але позбулися своїх мешканців в результаті кліматичних (заледеніння, пожежі) або геологічних (ерозія) явищ, а також з-за вторгнення людини (розорювання полів). наприклад: сукцесія сибірського темнохвойного лісу після лісової пожежі
До таких сукцесій може привести, наприклад, локальне знищення лісу хворобами, ураганом, виверженням вулкана, землетрусом - так звана катастрофічна сукцесія, або пожежею - пирогенная сукцесія.
1) поле → однорічні → багаторічні → чагарники → молодий → зрілий дубовий ліс.
дикі рослини дикі рослини сосновий ліс
Північна Кароліна; час 150 років.
2) вирубки → трави → чагарники і → листяний ліс → зрілий хвойний ліс.
молоді дерева (березовий гай)
Середня смуга; час 100 років.
3) ставок → болото → луг → ліс ( сотні років).
4) сукцесія в степовому районі на покинутій дорозі: однорічні бур'яни - 2-5 років; короткоживучі злаки - 3-10 років; багаторічні злаки - 10-20 років; зрілі злаки - 20-40 років. Таким чином, природі потрібно 20-40 років, Щоб на голому грунті створити зріле степове сообщество.Ізмененія рослинності та супутньої їй життя виникають і під впливом глобальних змін - коливань сонячної активності, кліматичних змін. Такі сукцесії носять назву циклічних(Вікових). Нарешті, самі повільні зміни екосистем - еволюційні сукцессии, пов'язані із загальною еволюцією біосфери планети.Одні фази сукцесії тривають деякі роки і десятиліття і все средообразующие рослини встигають дати всього одне або кілька поколінь. Такі фази називають кратновременнопроізводнимі. Інші фази протікають багатьма десятиліттями, средообразующие рослини (їх називають едіфікаторамі від лат. Едіфікатор - будівельник) дають за цей термін багато поколінь, а фази називають длітельнопроізводнимі.
Сукцесія протікає за певними законами.
Як правило, сукцесія характеризується прогресивними процесами: Формується грунт, розвивається рослинний покрив, зростає продуктивність екосистеми. Зміна біоценозів супроводжується збільшенням їх видового різноманіття.
Зміни одних екосистем іншими тягнуться десятиліттями і століттями. Але є ще більш тривалі зміни рослинності, пов'язані з саморозвитком умовно кінцевої фази розвитку процесу - клімаксу(Гр. Клімакс - драбина).
Кожна фаза сукцесії змінює середу настільки, що як би витісняє сама себе. Одночасно змінюється біотоп і супутній йому біоценоз. Процес зміни біоценозів йде до тих пір, поки екосистема не досягне рівноваги з середовищем (клімаксу).
Кінцевим результатом сукцессии є більш повільно розвиваються екосистеми, якому отримали назву клімаксовие.
Наприклад, густі кедровники Сибіру нерідко заболачиваются, потім проісходітіх розрідження, що супроводжується зменшенням вологості і навіть -виникнення в них місцевого клімату (Біоклімат, або фітоклімату), нагадує степовий. Такі паркові кедровники знову заростають більше густим лісовим покривом і заново починається прецесія заболочування. Такі циклічні процеси називають автосукцессіямі
клімаксовие екосистема - стабільний біоценоз, що знаходиться в рівновазі з середовищем, відносно стійкі фази сукцесії, найбільш відповідають екологічним характеристикам даної місцевості в певний період геологічного часу. Це зрілі екосистеми.
Прикладами таких систем в жаркому і сухому кліматі є пустелі, в жаркому і вологому - тропічні ліси.
Зрілі екосистеми володіють наступними ознаками: Розмір рослин - великий; Видове різноманіття - висока; Трофічна структура - поєднання продуцентів, консументів і редуцентов; Ефективність використання енергії - висока.
Не скрізь умови життя на планеті залишилися суто природними. Місцями вони дуже глибоко і незворотньо змінені людиною. Тут, в цих умовах, розвиток сукцесії не досягає природного умовно кінцевої фази клімаксу, а лише природно-антропогенного "фіналу" - вузлових екосистем, або спільнот.
Подекуди люди настільки часто порушують природу, що такі безперервно порушувані ценози робляться як би кінцевими в ланцюзі сукцесії. наприклад, луг в долині річки, де постійно пасеться худоба, не заростає чагарниками і не може їм зарости, так як кущі і навіть їх зачатки бувають знищені тваринами. Такі штучно стійкі освіти називають параклімаксамі(Гр. Пара - біля, при).
Чим глибше антропогенне нарушенность середовища якоюсь простору, тим на більш ранніх фазах сукцесії закінчується розвиток. Це правило ступеня завершеності сукцессіі.Действітельно, за вузловим спільнотою могла б наслідувати фаза клімакса.Параклімакси виникають навіть на самих ранніх фазах сукцесії. Наш надрічковий пісок, якщо його постійно витоптують відпочиваючі, так і залишиться голим піском - ранній фазою сукцесії.
важливим фактором стабілізації екосистеми є генетична різноманітність особин популяцій. Зміна умов зовнішнього середовища може викликати загибель більшості особин популяції, адаптованих до колишніх умов існування.
Тому чим більше генетично різнорідної є та чи інша популяція екосистеми, тим більший шанс у неї мати організми з алелями, відповідальними за появу ознак і властивостей, що дозволяють вижити і розмножуватися в нових умовах і відновити колишню чисельність популяції. Час, необхідний для відновлення популяції, буде залежати від швидкості розмноження особин, так як зміна ознак відбувається тільки шляхом відбору в кожному поколінні.
Стабільність екосистеми залежить також від ступеня коливань умов зовнішнього середовища. У тропіках і субтропіках стабільні і оптимальні для багатьох видів температурні умови, вологість, освітленість.
Тому тропічні екосистеми з високим біологічним різноманіттям входять до них організмів відрізняються високою стійкістю. І, навпаки, тундрові екосистеми менш стійкі. Їм властиві різкі коливання чисельності популяцій різних видів.
Сукцессионной зміна біогеоценозів відбувається в суворій послідовності, порушення якої господарським втручанням, не завжди веде до бажаного результату.
Так, виростити хвойний ліс, який дає сировину для целюлозно-паперової промисловості, минаючи фазу листяного лісу, для лісогосподарників постачає чимало труднощів. Експлуатуючи природні ресурси, людина повинна знати і враховувати закономірності розвитку природних екосистем.
Ми ніколи не робимо щось одне. Будь-яке втручання в природу має різні наслідки, Часто непередбачувані.
Наприклад: боротьба з малярією на о. Північне Борнео (зараз Бруней)
1950-і рр. - епідемія малярії
1955 г. - розпорошення діелдрін (пестициди) для боротьби з комарами
епідемія припинилася, комарі зникли
але: загинули інші комахи, в т.ч. мухи і таргани
загинули маленькі ящірки, які жили в будинках і харчувалися тарганами
загинули кішки, наївшись дохлих ящірок
швидко розмножилися щури
загроза чуми
для виправлення ситуації на острів на парашутах скинули здорових кішок.
У біології добре відомий закон незворотності еволюції бельгійського палеонтолога Л.Долло - організм не може вepнуться до минулого стану, вже здійсненому в ряді його предків, навіть знову потрапивши в середу їхнього життя. наприклад, вдруге пристосувалися до життя у водному середовищі іхтіозаври або кити зберегли всі риси плазунів і ссавців і лише зовнішнє, а не функціональне схожість зі своїми далекими еволюційними предками - рибами. Закономірність, аналогічна закону Л.Долло, існує і в ряді розвитку екосистеми. Це закон еволюційно-екологічної незворотності - екосистема, що втратила частину своїх елементів або змінилася інший в результаті дисбалансу екологічних компонентів, не може повернутися до початкового свого стану в ході сукцесії, якщо в ході змін відбулися еволюційні зміни в її екологічних складових або група видів зникла з неї назавжди або на (системно) тривалий термін. Якщо якийсь вид знищений людиною, екосистеми, куди він входив, будуть іншими. І ця зміна безповоротно. Навіть якщо вид буде через якийсь час реаккліматізірован - повернуто в екосистему, все одно вона буде іншою: за час відсутності виду в ній склалися нові зв'язки, відновити їх колишню мережу практично буває неможливо - в один і той же потік не можна увійти двічі.
Вивчаючи сукцесію в екосистемах, екологи виділили три механізму її дії:
1.Содействіе. З'явилися в новій екосистемі піонерні види полегшують інших видів подальше заселення. наприклад, Після відступу льодовика першими з'являються лишайники і деякі рослини з поверхневими корінням - тобто види, здатні вижити на безплідною, бідної живильними речовинами грунті.
У міру відмирання цих рослин відбувається наростання шару грунту, що дає можливість вкоренитися пізнім сукцессионной видам. Аналогічно ранні дерева дають тінь і притулок для паростків пізніх сукцессіонних дерев.
2. Стримування. Іноді піонерні види створюють умови, які ускладнюють або взагалі роблять неможливим появу пізніх сукцессіонних рослин. Коли біля океану з'являються нові поверхні (наприклад, в результаті будівництва бетонних пірсів або хвилерізів), вони швидко обростають піонерними видами водоростей, і інші види рослин просто витісняються.
Це витіснення відбувається дуже легко, оскільки піонерний вид відтворюється вкрай швидко і незабаром покриває всі доступні поверхні, не залишаючи місця для наступних видів. прикладактивного стримування - поява гірчака, азіатського рослини, що поширився по американському Заходу. Горчак значною мірою защелачівает грунт, в якій росте, що робить її непридатною для багатьох диких трав.
3. Співіснування. Нарешті, піонерні види можуть взагалі не надавати на наступні рослини ніякого впливу - ні корисного, ні шкідливого. Зокрема, це відбувається, якщо різні види використовують різні ресурси і ростуть незалежно один від одного.
Важливо розуміти, що кінцевий стан лісу або дюни екологічно нестійкий.
Зрілий ліс зазвичай характеризується нульовим сумарним приростом органічних речовин. Це означає, що з плином часу через втрату речовин під впливом таких процесів, як ерозія, ліс поступово почне гинути. До речі, більшість лісів мають максимальну продуктивністю протягом першої половини сукцессіонного циклу.
стійкість екосистеми (Стабільність) - здатність екосистеми і її окремих частин протистояти коливанням зовнішніх факторів і зберігати свою структуру і функціональні особливості.
наприклад, В екосистемі кількість опадів знижується на 50% в порівнянні із середньорічними значеннями, але продукція рослин зменшується при цьому тільки на 25%, а чисельність популяції рослиноїдних організмів - всього на 10%.
Стійкість до перенесення несприятливих умов залежить від витривалості організмів, їх здатності розмножуватися в широкому діапазоні умов і посилюється можливістю перебудови ланцюгів харчування в багатих спільнотах.
Стійкість екосистем падає з збіднінням видового складу. Найбільш стійкі - багаті життям тропічні ліси (понад 8000 видів рослин), досить стійкі ліси помірної смуги (2000 видів), менш стійкі тундрові біоценози (500 видів), мало стійкі екосистеми океанічних островів. Ще менш стійкі фруктові сади, а посівні поля без підтримки людини взагалі не можуть існувати, вони швидко заростають бур'янами і знищуються шкідниками.
Говорячи про стійкості екосистем , Або їх стабільності, ми повинні відзначити, що існують два типи стабільності:
1. резистентна стійкість (Чинити опір порушень, підтримувати свою структуру і функцію, здатність залишатися в стійкому стані під навантаженням)
2. пружна стійкість (Здатність швидко відновлюватися, відновлюватися після того, як структура і функція були порушені).
Для екосистем ці два типи стійкості не можуть одночасно повноцінно розвиватися. Так, каліфорнійський ліс з секвої досить стійкий до пожеж (для цих дерев характерна товста кора і інші адаптації), але якщо він все ж згорить, то відновлюється дуже повільно або не відновлюється зовсім.
Навпаки, каліфорнійські зарості чапараль дуже легко вигорають (низька резистентна стійкість), але швидко відновлюються (відмінна пружна стійкість).
Стійкість екосистем обумовлена \u200b\u200bефективністю дії внутрішніх механізмів екосистеми. Виконання функцій життєзабезпечення екосистемі не одним, а кількома видами або компонентами підвищує стабільність екосистеми.
|
ефективність саморегуляції визначається різноманітністю видів і харчових взаємин між ними. Якщо знижується чисельність одного з первинних консументів, то при різноманітності видів хижаки переходять до харчування більш численними тваринами, які раніше були для них другорядними. Довгі ланцюги харчування часто перетинаються, створюючи можливість варіації харчових відносин в залежності від врожаю рослин, чисельності жертв і ін. Тигри і леви за відсутності копитних обходяться менш великими тваринами і навіть рослинною їжею. Сокіл-сапсан полює в повітрі, а при масовому розмноженні лемінгів він починає харчуватися цими звірками, підхоплюючи їх з землі. Ланцюг: рослини - мишь-- змія - орел може бути скорочена до: рослини - миша - орел. У більш сприятливі роки чисельність видів відновлюється, і харчові відносини в біоценозі нормалізуються. В урожайні роки зростає кількість травоїдних. Хижаки, забезпечені їжею, швидко розмножуються. Скорочення чисельності травоїдних створює дефіцит харчування серед хижих видів, і в малокормние роки вони майже не розмножуються. Кожні кілька років чисельність популяцій лемінгів в тундрі різко зростає. Лемінги об'їдають тундрову рослинність. Речовини рослин через організм звірків переходять в детрит і лише через кілька років після мінералізації утворюють родючий грунт з багатим і поживним рослинним покривом. Чисельність лемінгів знову зростає. У малокормние роки їх кількість інтенсивно скорочується не тільки недоліком харчування, але ще і швидко розмножилися хижаками - песцями, лисицями, совами. Так рослини, лемінги і хижаки здійснюють саморегуляцію тундрової екосистеми, зберігаючи її стійкість і довговічність. Нерозумне втручання в природні екосистеми призводить до непередбачуваних і сумних наслідків. В середині ХІХ ст. на одній з ферм Австралії випустили на волю 12 пар завезених з Європи кроликів. В екосистемах Австралії було недостатньо хижаків, здатних регулювати їх чисельність, і за 40 років популяція кроликів розрослася до декількох сот мільйонів особин. Кролики розселилися по всьому материку, виїдаючи проростки сосни, знищуючи луки і пасовища, підриваючи кормову базу місцевих травоїдних - кенгуру. Поселення в кримських лісах білка телеутка помітно скоротила їх природне поновлення та стала завдавати шкоди виноградникам. Промислову ж цінність білка втратила, її пухнасте хутро в теплому кліматі став коротким і грубим. До несприятливих наслідків привела акліматизація уссурійського єнота в біоценозах Європейської частини Росії. Незважаючи на схожість кліматичних умов, звірята втратили цінні якості хутра. У лісах вони скоротили чисельність мисливських птахів, особливо тетеруків, винищуючи їх гнізда і виводки. Єноти стали жити поблизу населених пунктів, нападаючи на птицю і дрібних домашніх тварин. В процесі акліматизації горбуші в річках північно-західного регіону Росії через конкуренцію за їжу і місця для нересту сильно скоротилася чисельність місцевих лососевих риб. Для боротьби з личинками малярійних комарів в річках Приаралья в 40-50-і роки розвели рибку-гамбузію, несподівано інтенсивно скоротила чисельність промислових риб, успішно конкуруючи з ними в полюванні на дрібних тварин. Всесвіти види - одна з основних причин вимирання хребетних тварин. На Гавайські острови ввезли 22 види ссавців, 160 видів птахів, 1300 видів комах, понад 2 тис. Видів квіткових рослин. Всесвіти види стали головною причиною вимирання 30% птахів-аборигенів, 34% молюсків, перед загрозою зникнення перебувають до 70% видів гавайської флори. Проблема відновлення в біоценозах природного саморегуляції особливо важлива в наші дні, коли багато видів знаходяться на межі зникнення, а природні території втратили благоліпний вид. |
Поточна сторінка: 4 (всього у книги 44 сторінок) [доступний уривок для читання: 29 сторінок]
2.4. гомеостаз
Гомеостаз (від грец.homoios - той же,statos - стан) - здатність біологічних систем протистояти змінам і зберігати відносну динамічну сталість своєї структури і властивостей. Підтримання гомеостазу - неодмінна умова існування як окремих клітин і організмів, так цілих біологічних співтовариств і екосистем.
У гомеостазі (стійкості) живих систем виділяють:
витривалість(Живучість, толерантність (див. Розд. 3.2.2) - здатність переносити зміни середовища без порушення основних властивостей системи;
пружність(Резистентність, опірність) - здатність швидко самостійно повертатися в нормальний стан з нестійкого, яке виникло в результаті зовнішнього несприятливого впливу на систему.
Поняття «гомеостаз» широко використовується в екології для характеристики стійкості різних систем. Гомеостаз клітини визначається специфічними фізико-хімічними умовами, відмінними від умов зовнішнього середовища; гомеостаз багатоклітинного організму - підтримкою сталості внутрішнього середовища. Константами гомеостазу тварин є обсяг, склад крові і інших рідин організму.
Гомеостаз популяції визначається підтриманням просторової структури, щільності та генетичної різноманітності. Внаслідок гомеостатической регуляції підтримується сталість складу і чисельності популяцій у суспільствах.
На рівні екосистем гомеостаз проявляється в найбільш стійких формах взаємодії між видами, що виражається в пристосованості до особливостей середовища і підтримці циклів кругообігу біогенів. Можна розглядати навіть гомеостаз біосфери, в якій взаємодія різноманітних організмів підтримує сталість газового складу атмосфери, складу грунтів, складу і концентрації солей світового океану та ін.
Гомеостаз забезпечується роботою механізмів регулювання, що діють за принципом негативного зворотного зв'язку. Тоді, використовуючи кібернетичні терміни, порушення у функціонуванні живої системи слід констатувати як поява в каналі зворотного зв'язку «перешкод» або «шумів».
Роль перешкод можуть грати різні фактори, наприклад погодні умови, діяльність людини і т. П. Різкі зміни характеристик навколишнього середовища, при яких вони (або одна з них) виходять за межі допустимого, називають екологічним стресом.
Безумовно, конкретні механізми регулювання різні для клітини організму, популяції та екосистеми, але завжди результатом саморегуляції і підтримки гомеостазу є збалансованість і чітка узгодженість функціонування всіх елементів біологічної системи.
2.5. біологічний вид
Поділ усього різноманіття тварин і рослин на види є способом впорядкованого опису живої природи, заснованим на виявленні ієрархічної структури її елементів.
У більшості випадків особини різних видів розрізняють за зовнішнім виглядом, поведінкою, фізіології. Однак одних зовнішніх відмінностей, навіть значних, для виділення виду недостатньо. Якщо особини двох різних груп організмів при самому значному розходженні зовнішнього вигляду здатні, схрещуючи, давати потомство (т. Е. Можливий обмін генами), то вони є одним видом. Навпаки, особин, які не здатні дати потомство при схрещуванні, відносять до різних видів.
вид - сукупність особин, здатних до схрещування і утворення плодовитого потомства, що населяють певний ареал (область географічного поширення), що володіють рядом загальних морфо-фізіологічних ознак і типів взаємин з абіотичним і біотичної середовищем, відокремлених від інших таких же груп особин практично повною відсутністю гібридних форм. Вид - якісний етап процесу еволюції (див. Розд. 3.33).
Наведене правило визначення видів (як і всі інші наукові схеми, що описують безмежно різноманітні прояви життя) має виключення.
Контрольні питання і завдання
2.1. Що таке гомеостаз?
2.2. Наведіть приклади витривалості і пружності організмів.
2.3. Які зміни відбуваються з речовиною і енергією в ході фотосинтезу і росту рослин?
2.4. Назвіть подібності та відмінності процесів фотосинтезу і хемосинтезу.
2.5. Перерахуйте основні типи дихання.
2.6. Назвіть єдиний і універсальний джерело енергозабезпечення клітини.
2.7. Які організми є продуцентами і яка їхня роль в екосистемі?
2.8. Поясніть взаємовідносини між організмами-виробниками, організмами-споживачами і організмами-руйнівниками.
2.9. Яка роль відводиться воді в житті клітини?
2.10. Дайте визначення біологічного виду. Чи мають місце винятки з цього правила визначення виду?
ФАКТОРИ СЕРЕДОВИЩА
Живе невідривно від середовища. Кожен окремий організм, будучи самостійною біологічною системою, постійно знаходиться в прямих або непрямих відносинах з різноманітними компонентами і явищами навколишнього його середовища або, інакше, з р е д и о б і т а н і я, що впливають на стан і властивості організму.
середа- одне з основних екологічних понять, яке означає весь спектр навколишніх організм елементів і умов в тій частині простору, де живе організм, все те, серед чого він живе і з чим безпосередньо взаємодіє. При цьому організми, пристосувавшись до певного комплексу конкретних умов, в процесі життєдіяльності самі поступово змінюють ці умови, т. Е. Середу свого існування.
3.1. Екологічні фактори та їх вплив
Екологічний фактор - будь-який елемент навколишнього середовища, здатний прямо чи опосередковано впливати на живий організм, хоча б на одному з етапів його індивідуального розвитку, називають екологічним фактором.
Екологічні фактори різноманітні, при цьому кожен фактор є сукупністю відповідної умови середовища і його ресурсу (запасу в середовищі).
Екологічні фактори середовища (рис. 3.1) прийнято ділити на дві групи:
Фактори відсталої (неживої) природи - абіотичніабо абіогенні;
Фактори живої природи - біотичніабо біогенні.
З іншого боку, за походженням і ті й інші бувають як природними, так і антропогенними, т. Е. Прямо або побічно пов'язаними з діяльністю людини, який не тільки змінює режими природних екологічних факторів, а й створює нові, синтезуючи отрутохімікати, добрива, будівельні матеріали, ліки і т. п.
Мал. 3.1. Класифікація екологічних факторів
Відомо, що в основу побудови системи термінів повинна бути покладена досить ємна класифікація, що охоплює всі поняття в їх взаємозв'язку і розвитку. Виняткова складність, взаємопов'язаність і взаємозалежність явищ в природі ускладнює класифікацію в екології. Поряд з наведеною класифікацією екологічних факторів існує багато інших (менш поширених), в яких використовують інші відмітні ознаки. Так, виділяють фактори, що залежать і не залежать від чисельності та щільності організмів. Наприклад, на дію макрокліматіческіх факторів не позначається кількість тварин або рослин, а епідемії (масові захворювання), що викликаються патогенними мікроорганізмами, залежать від їх кількості на даній території. Відомі класифікації, в яких всі антропогенні фактори відносять до біотичних.
3.1.1. абіотичні чинники
У абиотической частини середовища проживання (в неживій природі) всі фактори насамперед можна розділити на фізичні і хімічні. Однак для розуміння суті аналізованих явищ і процесів абіотичні фактори зручно представити сукупністю кліматичних, топографічних, космічних факторів, а також характеристик складу середовища (водної, наземної або грунтової) і ін.
3.1.1.1. Основні кліматичні чинники
Енергія сонця.Вона поширюється в просторі у вигляді електромагнітних хвиль. Для організмів важливі довжина хвилі сприйманого випромінювання, його інтенсивність і тривалість впливу.
Близько 99% всієї енергії сонячної радіації становлять промені з довжиною хвилі λ \u003d 170 ... 4000 нм, в тому числі 48% припадає на видиму частину спектру (λ \u003d 390 ... 760 нм), 45% - на близьку інфрачервону (λ = 760 ... 4000 нм) і близько 7% - на ультрафіолетову (λ< 400 нм).
Переважне значення для фотосинтезу мають промені з λ \u003d 380 ... 710 нм. Довгохвильова (далека інфрачервона) сонячна радіація (λ\u003e 4000 нм) незначно впливає на процеси життєдіяльності організмів.
Ультрафіолетові промені з λ\u003e 320 нм в малих дозах необхідні тваринам і людині, так як під їх дією в організмі утворюється вітамін D. Випромінювання з λ< 290 нм губительно для живого, но до поверхности Земли оно не доходит, поглощаясь озоновым слоем атмосферы.
При проходженні через атмосферне повітря сонячне світло (рис. 3.2) відображається, розсіюється і поглинається. Чистий сніг відбиває приблизно 80-95% сонячного світла, забруднене - 40-50%, чорноземна грунт - до 5%, суха світла грунт - 35-45%, хвойні ліси - 10-15%. Однак освітленість земної поверхні істотно коливається в залежності від пори року і доби, географічної широти, експозиції схилу, стану атмосфери і т. П.
Внаслідок обертання Землі періодично чергуються світлий і темний час доби. Цвітіння, проростання насіння у рослин, міграція, зимова сплячка, розмноження тварин і багато іншого в природі пов'язані з тривалістю фотоперіоду (довжиною дня). Необхідність в світлі для рослин обумовлює швидкий їх ріст в висоту, ярусні структуру лісу. Водні рослини поширюються переважно в поверхневих шарах водойм.
Мал. 3.2. Баланс сонячної радіації на поверхні Землі в денний час
Температура.Температура головним чином пов'язана з сонячним випромінюванням, але в ряді випадків визначається енергією геотермальних джерел.
При температурі нижче точки замерзання жива клітина фізично пошкоджується утворюються кристалами льоду і гине, а при високих температурах відбувається денатурація ферментів. Абсолютна більшість рослин і тварин не витримує негативних температур тіла. Верхній температурний межа життя рідко піднімається вище 40-45 ° C.
В діапазоні між крайніми межами швидкість ферментативних реакцій (отже, і інтенсивність обміну речовин) подвоюється з підвищенням температури на кожні 10 ° C. Значна частина організмів здатна контролювати (підтримувати) температуру тіла, причому в першу чергу найбільш життєво важливих органів. Такі організми називають гомойотермним- теплокровними (від грец. homoios- подібний, therme- теплота), на відміну від пойкілотермних- холоднокровних (від грец. poikilos- різний, мінливий, різноманітний), що мають непостійну температуру, що залежить від температури навколишнього середовища.
У водному середовищі завдяки високій теплоємності води зміни температури менш різкі і умови більш стабільні, ніж на суші. Відомо, що в регіонах, де температура протягом доби, а також в різні сезони сильно змінюється, різноманітність видів менше, ніж в регіонах з більш постійними добовими і річними температурами.
Температура, як і інтенсивність світла, залежить від географічної широти, сезону, часу доби та експозиції схилу. Дія екстремальних температур (низьких і високих) посилюється сильними вітрами.
Зміна температури в міру підйому в повітряному середовищі або занурення у водне середовище називають температурної стратифікацією.Зазвичай і в тому і в іншому випадку спостерігається безперервне зниження температури з певним градієнтом. Проте існують і інші варіанти. Так, в літній період поверхневі води нагріваються сильніше глибинних. У зв'язку зі значним зменшенням щільності води в міру нагрівання починається її циркуляція в поверхневому нагрітому шарі без змішування з більш щільною, холодною водою нижчих шарів. В результаті між теплим і холодним шарами утворюється проміжна зона з різким градієнтом температури. Все це впливає на розміщення в воді живих організмів, а також на перенесення і розсіювання надходять домішок.
Подібне явище зустрічається і в атмосфері, коли охолоджені шари повітря зміщуються вниз і розташовуються під теплими шарами, т. Е. Має місце температурна інверсія, Що сприяє накопиченню забруднюючих речовин в приземному шарі повітря.
Інверсії сприяють деякі особливості рельєфу, наприклад, котловани і долини. Вона виникає при наявності на певній висоті речовин, наприклад аерозолів, що нагріваються безпосередньо за рахунок прямого сонячного випромінювання, що викликає більш інтенсивне прогрівання верхніх повітряних шарів.
У грунтовій середовищі добова і сезонна стабільність (коливання) температури залежать від глибини (рис. 3.3). Значний градієнт температур (а також вологості) дозволяє мешканцям грунту забезпечувати собі сприятливе середовище шляхом незначних переміщень.
Мал. 3.3. Зменшення річного коливання температури грунту з глибиною
Наявність і чисельність живих організмів можуть впливати на температуру. Наприклад, під пологом лісу або під листям окремого рослини має місце інша температура.
Опади, вологість.Вода обов'язкове для життя на Землі, в екологічному плані вона унікальна (див. Розд. 2.1, 2.2). При практично однакових географічних умовах на Землі існують і спекотна пустеля, і тропічний ліс (рис. 3.4). Різниця полягає лише в річній кількості опадів: в першому випадку 0,2-200 мм, а в другому 900-2000 мм.
Опади, тісно пов'язані з вологістю повітря, являють собою результат конденсації і кристалізації водяної пари в високих шарах атмосфери. У приземному шарі повітря утворюються роси, тумани, а при низьких температурах спостерігається кристалізація вологи - випадає іній або сніг.
Одна з основних фізіологічних функцій будь-якого організму - підтримка на достатньому рівні кількості води в тілі. В процесі еволюції у організмів сформувалися різноманітні пристосування до добування і економного витрачання води, а також до переживання посушливого періоду. Одні тварини пустелі отримують воду з їжі, інші за рахунок окислення своєчасно запасених жирів (наприклад, верблюд, здатний шляхом біологічного окислення з 100 г жиру отримати 107 г метаболічної води); при цьому у них мінімальна водопроникність зовнішніх покривів тіла, переважно нічний спосіб життя і т. д. При періодичної посушливості характерно впадание в стан спокою з мінімальною інтенсивністю обміну речовин.
Мал. 3.4. Залежність типу рослинності від кліматичних умов
Наземні рослини отримують воду головним чином з грунту. Мала кількість опадів, швидкий дренаж, інтенсивне випаровування або поєднання цих факторів ведуть до висушування, а надлишок вологи - до перезволоження і заболочування грунтів.
Баланс вологи залежить від різниці між кількістю опадів, що випали і кількістю води, що випарувалася з поверхонь грунту і рослин (шляхом транспірації).У свою чергу процеси випаровування безпосередньо залежать від відносної вологості атмосферного повітря. При вологості, близької до 100%, випаровування практично припиняється, і якщо додатково знижується температура, то починається зворотний процес - конденсація (утворюється туман, випадають роса, іній).
Крім зазначеного, вологість повітря як екологічний фактор при своїх крайніх значеннях (підвищеної і зниженої вологості), підсилює вплив (посилює дію) температури на організм.
Насичення повітря парами води рідко досягає максимального значення. Дефіцит вологості - різниця між максимально можливим і фактично існуючим насиченням при даній температурі. Це один з найважливіших екологічних параметрів, оскільки характеризує відразу дві величини: температуру і вологість. Чим вище дефіцит вологості, тим суші і тепліше, і навпаки.
Режим опадів - найважливіший фактор, що визначає міграцію забруднюючих речовин в природне середовище і вимивання їх з атмосфери.
Рухливість середовища.Причинами виникнення руху повітряних мас (вітру) є в першу чергу неоднаковий нагрівання земної поверхні, що викликає перепади тиску, а також обертання Землі. Вітер спрямований в бік більш прогрітого повітря.
Вітер - найважливіший фактор поширення на великі відстані вологи, насіння, спор, хімічних домішок і т. П. Він сприяє як зниженню навколоземній концентрації пило-і газоподібних речовин поблизу місця їх надходження в атмосферу, так і підвищенню фонових концентрацій в повітряному середовищі внаслідок викидів далеких джерел, включаючи транскордонний перенос.
Вітер прискорює транспірацію (випаровування вологи наземними частинами рослин), що особливо погіршує умови існування при низькій вологості. Крім того, він побічно впливає на всі живі організми суші, беручи участь в процесах вивітрювання і ерозії.
Рухливість в просторі і перемішування водних мас сприяють підтримці відносної гомогенності (однорідності) фізичних і хімічних характеристик водних об'єктів. Середня швидкість поверхневих течій лежить в межах 0,1-0,2 м / с, досягаючи місцями 1 м / с, у Гольфстріму - 3 м / с.
Тиск.Нормальним атмосферним тиском вважається абсолютний тиск на рівні поверхні Світового океану 101,3 кПа, відповідне 760 мм рт. ст. або 1атм. У межах земної кулі існують постійні області високого і низького атмосферного тиску, причому в одних і тих же точках спостерігаються сезонні і добові його коливання. У міру збільшення висоти щодо рівня океану тиск зменшується, знижується парціальний тиск кисню, посилюється транспірація у рослин.
Періодично в атмосфері утворюються області зниженого тиску з потужними повітряними потоками, що переміщаються по спіралі до центру, які називають циклонами.Для них характерна велика кількість опадів і нестійка погода. Протилежні природні явища називають антициклонами.Вони характеризуються стійкою погодою, слабкими вітрами і в ряді випадків температурної інверсії. При антициклонах часом виникають несприятливі метеорологічні умови, що сприяють накопиченню в приземному шарі атмосфери забруднюючих речовин.
Розрізняють також морське і континентальне атмосферний тиск.
Тиск у водному середовищі зростає в міру занурення. Завдяки значно (в 800 разів) більшою, ніж у повітря, щільності води на кожні 10 м глибини в прісноводому водоймищі тиск збільшується на 0,1 МПа (1атм). Абсолютний тиск на дні Маріанської западини перевищує 110 МПа (1100 атм).
Іонізуючі випромінювання. Іонізуючим називають випромінювання, який утворює пари іонів при проходженні через речовину; фоновим - випромінювання, що створюється природними джерелами.Воно має два основних джерела: космічне випромінювання та радіоактивні ізотопи і елементи в мінералах земної кори, що виникли колись в процесі утворення речовини Землі. Через велику періоду напіврозпаду ядра багатьох первісних радіоактивних елементів збереглися в надрах Землі до теперішнього часу. Найголовніші з них - калій-40, торій-232, уран-235 і уран-238. Під впливом космічного випромінювання в атмосфері постійно утворюються все нові ядра радіоактивних атомів, головні з яких - вуглець-14 і тритій.
Радіаційний фон ландшафту - одна з неодмінних складових його клімату. У формуванні фону беруть участь всі відомі джерела іонізуючого випромінювання (рис. 3.5), проте вклад кожного з них в загальну дозу опромінення залежить від конкретної географічної точки. Людина як мешканець природного середовища отримує основну частину опромінення від природних джерел радіації, і уникнути цього неможливо. Все живе на Землі піддається випромінювання з Космосу на протязі всієї історії існування і адаптувалося до цього.
Мал. 3.5. Дози одержуваного радіоактивного опромінення, мрад / г. (по Н. Ф. Реймерс): 1- космічні промені; 2 - внутрішні α-промені і випромінювання 40K, що міститься в живих організмах; 3 - випромінювання місцевих зовнішніх джерел
Гірські ландшафти завдяки значній висоті над рівнем моря характеризуються підвищеним внеском космічного випромінювання. Льодовики, виконуючи функцію поглинає екрану, затримують в своїй масі випромінювання подстилающих корінних порід. Виявлено відмінності в змісті радіоактивних аерозолів над морем і сушею. Сумарна радіоактивність морського повітря в сотні і тисячі разів менше, ніж континентального.
На Землі є райони, де інтенсивність випромінювання в десятки разів перевищує середні значення, наприклад, райони родовищ урану і торію. Такі місця називають урановими і торієвих провінціями. Стабільний і щодо більш високий рівень випромінювання спостерігається в місцях виходу гранітних порід.
Біологічні процеси, які супроводжують утворення грунтів, істотно впливають на накопичення в останніх радіоактивних речовин. При малому вмісті гумусових речовин їх активність слабка, тоді як чорноземи завжди відрізнялися більш високою питомою активністю. Особливо вона висока у чорноземних і лугових грунтів, розташованих близько до гранітних масивів. За ступенем зростання питомої активності грунту орієнтовно можна розташувати в наступному порядку: торф'яні; грунту степової зони і лісостепу; чорноземні; грунту, що розвиваються на гранітах.
Вплив періодичних коливань інтенсивності космічного випромінювання в земної поверхні на дозу опромінення живих організмів практично не суттєво.
У багатьох районах земної кулі потужність експозиційної дози, обумовлена \u200b\u200bвипромінюванням урану і торію, досягає рівня опромінення, яке існувало на Землі в геологічно найближчому майбутньому, при якому йшла природна еволюція живих організмів. В цілому іонізуюче випромінювання більш згубно впливає на високорозвинені і складні організми, причому людина відрізняється особливою чутливістю. Деякі речовини розподіляються в організмі рівномірно, наприклад вуглець-14 або тритій, а інші накопичуються в певних органах. Так, радій-224, - 226, свинець-210, полоній-210 акумулюються в кісткових тканинах. Сильний вплив на легені надає інертний газ радон-220, часом виділяється не тільки з покладів в літосфері, а й з мінералів, здобутих людиною і застосовуваних в якості будівельних матеріалів.
Радіоактивні речовини можуть накопичуватися в воді, ґрунті, опадах або в повітрі, якщо швидкість їх надходження перевищує швидкість радіоактивного розпаду. В живих організмах накопичення радіоактивних речовин відбувається при їх попаданні з їжею ( «правило біотичного посилення», див. Розд. 5.1.3).
ГОМЕОСТАЗ, Гомеостаз (від гомео... і грецького stasis - нерухомість, стан), здатність біологічних систем протистояти змінам і зберігати динамічне відносну сталість складу і властивостей. Термін «Гомеостаз» запропонував У. Кеннон в 1929 році для характеристики станів і процесів, що забезпечують стійкість організму. Однак ідея про існування фізіологічних механізмів, спрямованих на підтримання сталості внутрішнього середовища організму, була висловлена \u200b\u200bще в 2-ій половині 19 століття К. Бернаром, який розглядав стабільність фізико-хімічних умов у внутрішньому середовищі як основу свободи і незалежності живих організмів в безперервно мінливого зовнішнього середовищі. Явища гомеостазу спостерігаються на різних рівнях біологічної організації.
Гомеостаз фізіологічний. Виникнення життя на Землі, поява одноклітинних організмів було пов'язане з формуванням і невпинним підтриманням в клітці протягом усього життя специфічних фізико-хімічних умов, що відрізняються від умов навколишнього середовища. У багатоклітинних організмів з'являється внутрішнє середовище, в якій знаходяться клітини різних органів і тканин, відбувається розвиток і вдосконалення механізмів гомеостазу. В ході еволюції формуються спеціалізовані органи кровообігу, дихання, травлення, виділення та ін., Які беруть участь у підтримці гомеостазу. У морських безхребетних є гомеостатичні механізми стабілізації обсягу, іонного складу і рН рідин внутрішнього середовища. Для тварин, які перейшли до життя в прісних водах і на суші, а також у хребетних, які мігрували з прісних вод в море, сформовані механізми осморегуляции, що забезпечують сталість концентрації осмотично активних речовин всередині організму. Найбільш досконалий гомеостаз у ссавців, що сприяє розширенню можливостей їх пристосування до навколишнього середовища. Завдяки гомеостазу забезпечується сталість об'єму крові (ізоволемії) та інших позаклітинних рідин, концентрації в них іонів, осмотично активних речовин (ізоосмія), сталість рН крові, складу в ній білків, ліпідів і вуглеводів. У птахів і ссавців у вузьких межах регулюється температура тіла (изотермия). Додаткові фізіологічні механізми забезпечують стабілізацію внутрішнього середовища окремих органів (наприклад, гематоенцефалічний і гематоофтальмічний бар'єри визначають особливі властивості рідин, пов'язаних із клітинами мозку і очі).
Гомеостаз досягається системою фізіологічних регуляторних механізмів. Найбільш важливу, інтегруючу функцію виконує ЦНС і особливо кора головного мозку, велике значення мають вплив симпатичної нервової системи, стан гіпофіза, наднирників та інших ендокринних залоз, ступінь розвитку ефекторних органів. Прикладом складної гомеостатической системи, що включає різні механізми регуляції, є система забезпечення оптимального рівня артеріального тиску, яка регулюється за принципом ланцюгових реакцій з зворотними зв'язками: зміна тиску крові сприймається барорецепторами судин, сигнал передається в судинні центри, зміна стану яких веде до зміни тонусу судин і серцевої діяльності; одночасно включається система нейрогуморальної регуляції і кров'яний тиск повертається до норми.
Порушення механізмів, що лежать в основі гомеостатических процесів, розглядаються як «хвороби гомеостазу». З деякою умовністю до них можна віднести функціональні порушення нормальної діяльності організму, пов'язані з вимушеною перебудовою біологічних ритмів і т. Д. Пізнання закономірностей гомеостазу людини має велике значення для вибору ефективних і раціональних методів лікування багатьох захворювань.
У рослин основне значення для підтримки гомеостазу на клітинному рівні мають плазмалемма і тонопласт. Перша регулює приплив в клітину поживних іонів і води із зовнішнього середовища і виділення баластних і надлишкових іонів H +, Na +, Ca 2+, другий - надходження в протоплазму запасних субстратів з вакуолей при їх нестачі і видалення в вакуоль - при надлишку. Стабілізація осмотичного потенціалу клітин здійснюється головним чином за рахунок підтримки певної внутрішньоклітинної концентрації К + і аніонів. На тканинному рівні в підтримці гомеостазу беруть участь плазмодесми, які регулюють міжклітинні потоки вуглеводів і інших субстратів.
Гомеостаз генетичний, або популяційний, здатність популяції підтримувати відносну стабільність і цілісність генотипической структури в умовах, що змінюються середовища. Досягається за допомогою збереження генетичного рівноваги частоти алелей при вільному схрещуванні особин в популяціях шляхом підтримки гетерозиготности і поліморфізму, визначеного темпу і напряму мутаційного процесу. Вивчення гомеостазу - актуальне завдання при дослідженні закономірностей мікроеволюції. Гомеостаз розвитку - здатність даного генотипу створювати певний фенотип в широкому діапазоні умов.
Поняття «Гомеостаз» широко використовується в екології при характеристиці стану екосистем та його опірності. Завдяки гомеостазу підтримується сталість видового складу і чисельності особин в біоценозах.
клітинний рівень
В даний час виділяють кілька основних рівнів організації живої матерії: клітинний, організменний, популяційно-видовий, биогеоценотический і біосферний.
Хоча прояви деяких властивостей живого обумовлені вже взаємодією біологічних макромолекул (білків, нуклеїнових кислот, полісахаридів і ін.), Все ж одиницею будови, функцій і розвитку живого є клітина, здатна здійснювати і сполучати процеси реалізації і передачі спадкової інформації з обміном речовин і перетворення енергії , забезпечуючи тим самим функціонування вищих рівнів організації. Елементарною одиницею клітинного рівня організації є клітина, а елементарним явищем - реакції клітинного метаболізму.
організменний рівень
організм - це цілісна система, здатна до самостійного існування. За кількістю клітин, що входять до складу організмів, їх ділять на одноклітинні і багатоклітинні. Клітинний рівень організації у одноклітинних організмів (амеби звичайної, евглени зеленої та ін.) Збігається з організмовому. В історії Землі був період, коли всі організми були представлені тільки одноклітинними формами, але вони забезпечували функціонування як біогеоценозів, так і біосфери в цілому. Більшість багатоклітинних організмів представлено сукупністю тканин і органів, в свою чергу також мають клітинну будову. Органи і тканини пристосовані для виконання певних функцій. Елементарною одиницею даного рівня є особина в її індивідуальному розвитку, або онтогенезі, тому організменний рівень також називають онтогенетическим. Елементарним явищем даного рівня є зміни організму в його індивідуальному розвитку.
Популяційно-видовий рівень
популяція - це сукупність особин одного виду, що вільно схрещуються між собою і проживають окремо від інших таких же груп особин.
У популяціях відбувається вільний обмін спадковою інформацією та її передача нащадкам. Популяція є елементарною одиницею популяції видового рівня, а елементарним явищем в даному випадку є еволюційні перетворення, наприклад мутації і природний відбір.
біогеоценотіческій рівень
біогеоценоз являє собою історично сформоване співтовариство популяцій різних видів, взаємопов'язаних між собою і навколишнім середовищем обміном речовин і енергії.
Біогеоценози є елементарними системами, в яких здійснюється речовинно- енергетичний круговорот, обумовлений життєдіяльністю організмів. Самі біогеоценози - це елементарні одиниці даного рівня, тоді як елементарні явища - це потоки енергії і кругообіг речовин в них. Біогеоценози складають біосферу і обумовлюють всі процеси, що протікають в ній.
біосферний рівень
біосфера - оболонка Землі, населена живими організмами і перетворюються ними.
Біосфера є найвищим рівнем організації життя на планеті. Ця оболонка охоплює нижню частину атмосфери, гідросферу і верхній шар літосфери. Біосфера, як і всі інші біологічні системи, динамічна і активно перетворюється живими істотами. Вона сама є елементарною одиницею біосферного рівня, а в якості елементарного явища розглядають процеси кругообігу речовин і енергії, що відбуваються за участю живих організмів.
Як вже було сказано вище, кожен з рівнів організації живої матерії вносить свою лепту в єдиний еволюційний процес: в клітці не тільки відтворюється закладена спадкова інформація, а й відбувається її зміна, що призводить до виникнення нових поєднань ознак і властивостей організму, в свою чергу піддаються дії природного відбору на популяційно-видовому рівні і т. д.
біологічні системи
Біологічні об'єкти різного ступеня складності (клітини, організми, популяції і види, біогеоценози і саму біосферу) розглядають в даний час в якості біологічних систем.
система - це єдність структурних компонентів, взаємодія яких породжує нові властивості в порівнянні з їх механічної сукупністю. Так, організми складаються з органів, органи утворені тканинами, а тканини формують клітини.
Характерними рисами біологічних систем є їх цілісність, рівневий принцип організації, про що говорилося вище, і відкритість. Цілісність біологічних систем в значній мірі досягається за рахунок саморегуляції, що функціонує за принципом зворотного зв'язку.
До відкритих систем відносять системи, між якими і навколишнім середовищем відбувається обмін речовин, енергії та інформації, наприклад, рослини в процесі фотосинтезу вловлюють сонячне світло і поглинають воду і вуглекислий газ, виділяючи кисень.
Загальні ознаки біологічних систем: клітинну будову, особливості хімічного складу, обмін речовин і перетворення енергії, гомеостаз, подразливість, рух, ріст і розвиток, відтворення, еволюція
Біологічні системи відрізняються від тіл неживої природи сукупністю ознак і властивостей, серед яких основними є клітинну будову, особливості хімічного складу, обмін речовин і перетворення енергії, гомеостаз, подразливість, рух, ріст і розвиток, відтворення і еволюція.
Елементарної структурно-функціональною одиницею живого є клітина. Навіть віруси, що відносяться до неклітинним формам життя, нездатні до самовідтворення поза клітинами.
Розрізняють два типу будови клітин: прокариотические і еукаріотичні. Прокаріотичні клітини не мають сформованого ядра, їх генетична інформація зосереджена в цитоплазмі. До прокаріотів відносять перш за все бактерії. Генетична інформація в еукаріоті- чеських клітинах зберігається в особливій структурі - ядрі. Еукаріотамі є рослини, тварини і гриби. Якщо в одноклітинних організмах клітці притаманні всі прояви живого, то у багатоклітинних відбувається спеціалізація клітин.
В живих організмах не зустрічається жодного хімічного елемента, якого б не було в неживій природі, проте їх концентрації істотно розрізняються в першому і в другому випадках. Переважають в живій природі такі елементи, як вуглець, водень і кисень, які входять до складу органічних сполук, тоді як для неживої природи в основному характерні неорганічні речовини. Найважливішими органічними сполуками є нуклеїнові кислоти і білки, які забезпечують функції самовідтворення і самопідтримки, але жодне з цих речовин не є носієм життя, оскільки ні окремо, ні в групі вони не здатні до самовідтворення - для цього необхідний цілісний комплекс молекул і структур, яким і є клітина.
Всі живі системи, в тому числі клітини і організми, є відкритими системами. Однак, на відміну від неживої природи, де в основному відбувається перенесення речовин з одного місця в інше або зміна їх агрегатного стану, живі істоти здатні до хімічного перетворення споживаних речовин і використанню енергії. Обмін речовин і перетворення енергії пов'язані з такими процесами, як харчування, дихання і виділення.
під харчуванням зазвичай розуміють надходження в організм, перетравлювання і засвоєння їм речовин, необхідних для поповнення енергетичних запасів і побудови тіла організму. За способом живлення всі організми ділять на автотрофов і гетеротрофов.
автотрофи - це організми, які здатні самі синтезувати органічні речовини з неорганічних.
гетеротрофи - це організми, які споживають в їжу готові органічні речовини.
Автотрофи поділяються на фотоавтотрофов і хемоавтотрофов. фотоавтотрофи використовують для синтезу органічних речовин енергію сонячного світла. Процес перетворення енергії світла в енергію хімічних зв'язків органічних сполук називається фотосинтезом. До фотоавтотрофи належить переважна більшість рослин і деякі бактерії (наприклад, ціано- бактерії). В цілому фотосинтез не надто продуктивний процес, внаслідок чого більшість рослин змушене вести прикріплений спосіб життя. хемоавтотрофи витягають енергію для синтезу органічних сполук з неорганічних сполук. Цей процес називається хемосинтезом. Типовими хемоавтотрофов є деякі бактерії, в тому числі серобактерии і железобактерии.
Решта організми - тварини, гриби і переважна більшість бактерій - відносяться до гетеротрофам.
диханням називають процес розщеплення органічних речовин до більш простих, при якому виділяється енергія, необхідна для підтримки життєдіяльності організмів.
розрізняють аеробне дихання, вимагає кисню, і анаеробне, протікає без участі кисню. Більшість організмів є аеробами, хоча серед бактерій, грибів і тварин зустрічаються і анаероби. При кисневому диханні складні органічні речовини можуть розщеплюватися до води і вуглекислого газу.
під виділенням зазвичай розуміють виведення з організму кінцевих продуктів метаболізму і надлишку різних речовин (води, солей і ін.), що надійшли з їжею або утворилися в ньому. Особливо інтенсивно процеси виділення протікають у тварин, тоді як рослини надзвичайно економні.
Завдяки обміну речовин і енергії забезпечується взаємозв'язок організму з навколишнім середовищем і підтримується гомеостаз.
гомеостаз - це здатність біологічних систем протистояти змінам і підтримувати відносну сталість хімічного складу, будови і властивостей, а також забезпечувати сталість функціонування в умовах, що змінюються навколишнього середовища. Пристосування ж до мінливих умов середовища називається адаптацією.
подразливість - це універсальна властивість живого реагувати на зовнішні та внутрішні впливи, яке лежить в основі пристосування організму до умов навколишнього середовища і їх виживання. Реакція рослин на зміни зовнішніх умов полягає, наприклад, в повороті листових пластинок до світла, а у більшості тварин вона має більш складні форми, які мають рефлекторний характер.
рух - невід'ємна властивість біологічних систем. Воно проявляється не тільки у вигляді переміщення тіл і їх частин в просторі, наприклад, у відповідь на роздратування, але і в процесі росту і розвитку.
Нові організми, що з'являються в результаті репродукції, отримують від батьків не готові ознаки, а певні генетичні програми, можливість розвитку тих чи інших ознак. Ця спадкова інформація реалізується під час індивідуального розвитку. Індивідуальний розвиток виражається, як правило, в кількісних і якісних змінах організму. Кількісні зміни організму називаються ростом. Вони проявляються, наприклад, у вигляді збільшення маси і лінійних розмірів організму, що засноване на відтворенні молекул, клітин і інших біологічних структур.
розвиток організму - це поява якісних відмінностей в структурі, ускладнення функцій і т. Д., Що базується на диференціюванні клітин.
Зростання організмів може тривати все життя або закінчуватися на якомусь певному її етапі. У першому випадку говорять про необмеженій, або відкритому зростанні. Він характерний для рослин і грибів. У другому випадку ми маємо справу з обмеженим, або закритим зростанням,властивим тваринам і бактеріям.
Тривалість існування окремої клітини, організму, виду та інших біологічних систем обмежена в часі в основному через вплив факторів навколишнього середовища, тому потрібне постійне відтворення цих систем. В основі відтворення клітин і організмів лежить процес самоудвоения молекул ДНК. Розмноження організмів забезпечує існування виду, а розмноження всіх видів, що населяють Землю, забезпечує існування біосфери.
спадковістю називають передачу ознак батьківських форм в ряду поколінь.
Однак, якби при відтворенні ознаки зберігалися, пристосування до мінливих умов навколишнього середовища було б неможливим. У зв'язку з цим з'явилося протилежне спадковості властивість - мінливість.
мінливість - це можливість придбання протягом життя нових ознак і властивостей, яке забезпечує еволюцію і виживання найбільш пристосованих видів.
еволюція - це незворотний процес історичного розвитку живого.
вона базується на прогресивному розмноженні, спадкової мінливості, боротьби за існування і природний добір. Дія цих чинників призвело до величезного розмаїття форм життя, пристосованих до різних умов середовища проживання. Прогресивна еволюція пройшла ряд ступенів: доклітинних форм, одноклітинних організмів, все ускладнюються багатоклітинних аж до людини.
Механізми стабілізації живих систем
У клітці протягом всього її життя підтримуються специфічні фізико-хімічні умови, відмінні від умов навколишнього середовища. Здатність біологічних систем щодо протистояти змінам і зберігати динамічно відносну сталість складу і властивостей називається гомеостазом. Явище гомеостазу спостерігається на всіх рівнях біологічної організації. Здатність біологічних систем автоматично встановлювати і підтримувати на постійному рівні ті чи інші біологічні показники називається саморегуляцією. При саморегуляції керуючі фактори не впливають на систему ззовні, а формуються в ній самостійно. Відхилення будь-якого життєвого фактора від гомеостазу служить поштовхом до мобілізації механізмів, відновлюють його. Наприклад, підвищення температури тіла в спеку підсилює потовиділення, і температура тіла знижується до норми. Різноманітні прояви і механізми саморегуляції надорганізменних систем - популяцій і біоценозів. На цьому рівні підтримується стабільність структури популяцій, їх чисельність, регулюється динаміка всіх компонентів екосистем в умовах, що змінюються середовища. Сама біосфера є прикладом підтримки гомеостатичного стану і прояву саморегуляції живих систем. Всім організмам властива відтворення собі подібних, що забезпечує безперервність і спадкоємність життя.
Розмноження у живих істот можна звести до двох форм: безстатевого і статевого. Найдавніша форма розмноження - безстатеве . Воно поширене у одноклітинних організмів, але може бути властиво і багатоклітинних грибів, рослинам і тваринам (у високоорганізованих тварин зустрічається рідко). Найбільш проста форма безстатевого розмноження характерна для вірусів. Їх репродуктивний процес пов'язаний зі здатністю до Самоудвоение молекул нуклеїнових кислот. Стосовно до інших організмів, які розмножуються безстатевим шляхом, розрізняють розмноження спорообразованием і вегетативне розмноження . Розмноження спорообразованием пов'язано з утворенням спеціалізованих клітин - суперечка, які містять ядро \u200b\u200bі цитоплазму, покриті щільною оболонкою і здатні до тривалого існування в несприятливих умовах, що дають початок дочірнім особинам. Таке розмноження характерно для бактерій, водоростей, грибів, мохів, папоротей. Вегетативне розмноження - утворення нової особини з частини батьківської. Відбувається шляхом відділення від материнського організму частини і перетворення її в дочірній організм. Властивий багатоклітинних організмів. Найбільш різноманітні форми вегетативного розмноження у рослин - живці, цибулини, нирки і т. Д. У тварин вегетативне розмноження відбувається або шляхом ділення, або брунькуванням, коли на материнському організмі утворюється виріст - нирка, з якої розвивається нова особина. Нирки можуть відділятися від батьківської особини або залишаються з'єднаними з нею, в результаті чого виникає колонія (як у коралових поліпів). Може відбуватися фрагментація тіла багатоклітинного тваринного на частини, після чого кожна частина розвивається в нову тварину. Таке розмноження характерно для губок, гідр, морських зірок і деяких інших організмів.
В статевому розмноженні беруть участь дві батьківські особини, вносячи по одній статевій клітині - гамете. Кожна гамета несе половинний набір хромосом. В результаті злиття двох гамет утворюється зигота, з якої розвивається новий організм. Зигота отримує спадкові ознаки обох батьків. Поряд з роздільно порожніми формами існують групи тварин і рослин, що мають і чоловічі, і жіночі статеві органи в одному організмі - гермафродити (самопильні рослини: пшениця, ячмінь та ін.).
завдання розмноження - передача наступним поколінням спадкової інформації. Організм проходить всі стадії індивідуального розвитку - онтогенез: зростає, розвивається, розмножується, старіє, вмирає. Зміна зовнішніх умов може прискорити або загальмувати розвиток організму. Обмеженість індивідуального життя організмів - одна з необхідних умов для еволюції життя на планеті.
Надорганізменну системи (популяції, біоценози, біосфера в цілому) також здатні відтворювати самих себе, розвиватися і змінюватися з плином часу.
Дія принципу Ле Шательє в біосфері
Принцип Ле Шательє емпірично був виведений для хімічної рівноваги: \u200b\u200bпри зовнішньому впливі, що виводить систему зі стану стійкої рівноваги, ця рівновага зміщується в напрямку, при якому ефект зовнішнього впливу зменшується. Розглянемо оборотну хімічну реакцію, коли прямий процес стимулює зворотний процес.
2H 2 + O 2 2H 2 O + Q
Дана реакція протікає з виділенням тепла. Можна оцінити вплив різних чинників на стан динамічної рівноваги (коли швидкості протікання прямої і зворотної реакцій однакові). Якщо в запропонованій системі знижувати температуру, то згідно з принципом Ле Шательє рівновага буде зрушено в бік продуктів реакції, оскільки реакція екзотермічна. Якщо збільшувати температуру - то в сторону вихідних речовин. При збільшенні тиску рівновага буде зрушено в напрямку зменшення тиску в системі, тобто в сторону продуктів реакції.
Цей закон в узагальненому вигляді запозичила екологія: зовнішній вплив, що виводить систему з рівноваги, стимулює в ній процеси, які прагнуть послабити результати цієї взаємодії.
У біосфері цей закон реалізується у вигляді здатності до авторегуляції і підтримці відносного сталості важливих параметрів організму або співтовариства організмів (гомеостазу). Здійснення цього принципу базується на глобальній біотичної регуляції навколишнього середовища. Протягом всього часу існування біосфера піддавалася раптовим зовнішніх збурень: падіння метеоритів, вулканічних вивержень і іншим природним катаклізмам. Однак за рахунок діяльності живої речовини після таких збурень забезпечувався повернення до первісного рівноважного стану.
Ще В.І. Вернадський відзначав величезну роль біоти в стабілізації стану навколишнього середовища, оскільки концентрація всіх важливих для живих організмів елементів регулюється біологічними процесами. Біота сформувала гігантські відкладення гірських порід, кисневу атмосферу Землі, грунт. Найбільш повний контроль биота здійснює за біогенними елементами, контролюючи їх кругообіг. Завдяки цьому регулюється стан навколишнього середовища та з високою точністю забезпечуються оптимальні умови для життя. За мільярди років існування життя не відбувалося таких порушень навколишнього середовища, які привели б до руйнування біосфери в цілому. Біота не може вплинути на потік сонячної радіації або інтенсивність припливів і відливів. Однак шляхом спрямованого зміни концентрації біогенних елементів в навколишнє середовище відповідно до принципу Ле Шательє вона може компенсувати наслідки катастрофічних процесів. Надлишок вуглекислого газу в зовнішньому середовищі, наприклад, може бути переведений биотой в малоактивні органічні форми, а недолік - поповнено за рахунок розкладання органічних речовин, що містяться в гумусі і торфі.
Порушення структури біоти в ході господарської діяльності може порушити скоррелировать взаємодія біологічних видів в природі з підтримки круговоротов речовин і привести до руйнування біосфери.
Витрачання води підприємствами різних груп характеризується значною нерівномірністю. Для оцінки обсягів промислового водоспоживання використовують поняття «водоемкости виробництва», під якою розуміють обсяг води (м 3), необхідний для виробництва 1 т продукції. У табл. 4 наведена водоемкости різних видів виробництв.
Найбільшим водоспоживання в промисловості відрізняється енергетика, хімічна, нафтохімічна, целюлозно-паперова галузі, чорна і кольорова металургія. ТЕС потужністю 300 МВт споживає 120 м 3 води в секунду або це 300 млн м 3 / рік. Особливо швидко водоспоживання в промисловості зросла в XX столітті, так як почали розвиватися надзвичайно водоемкости галузі виробництва, такі як органічний синтез і нафтохімія.У сільському господарстві висока водоспоживання пов'язано в основному з зрошуваних землеробством. Щоб виростити 1 т пшениціза вегетативний періодпотрібно 1500 м 3, 1 т рису - 8000 м 3, 1 т бавовни - 5000 м 3 . В умовах швидких темпів зростання населення планети зрошенню відводиться все більша роль в підвищенні ефективності землеробства як основного джерела забезпечення людей продуктами харчування.
Особливе місце у використанні водних ресурсів займає комунальне господарство: для господарсько-питних і комунально-побутових цілей. Для пиття людина витрачає на добу 2,0-2,5 л. За СНиП в Росії норматив витрати води на добу на одну людину становить 250 л, для порівняння в інших розвинених країнах - 150 -200 л. У різних країнах і різних містах витрата води різний, л / (сут · чол):
Надмірне викачування води в зв'язку зі збільшенням її споживання призвело до зниження рівня грунтових вод на всіх континентах. У Китаї і Індії, двох великих за чисельністю населення країнах світу, запаси продовольства залежать від зрошуваного землеробства. В Індії відбір води з водоносних горизонтів в 2 з гаком рази перевищує її накопичення, тому в Індії майже повсюдно рівні водоносних грунтів з прісною водою знижуються на 1-3 м щорічно. На острові Майорка (біля узбережжя Іспанії) в даний час взагалі немає прісних вод, потреби жителів острова забезпечують три опріснювача. Острів складається з скельних порід, вважається, що раніше він був частиною континенту. Запаси прісної води на Майорці після відокремлення її від Піренейського півострова були дуже великі. Для того щоб обробляти болотисту місцевість жителі острова в минулі століття викачували воду за допомогою вітряних установок. Виявилося, що цією водою були всього лише заповнені порожнечі в скельних породах.
Споживання води щорічно збільшується, людина використовує набагато більше її запасів, тому в недалекому "майбутньому" у багатьох країнах може з'явитися проблема нестачі води. Дефіцит прісної води вже відчувається в Нідерландах, Бельгії, Люксембурзі, Угорщині. Дистильовану воду використовують в Кувейті, Алжирі, Лівії, потужні опріснювачі стоять в Каліфорнії і Аклахоме. За даними Всесвітньої організації охорони здоров'я від нестачі води страждає 1,2 млрд чоловік. Водозабезпеченість населення у нас в країні одна з найвищих в світі, тому прісна вода витрачається вкрай неекономно. А труднощі з забезпеченням населення якісною питною водою вже є. Можливо колись ми будемо отримувати прісну воду з морської, але потрібно сказати, що методи опріснення дороги і складні.
Вчені вважають, що на Землі немає кришталево чистої води, і вся прісна вода вже пройшла техносферу, тому вона змінює свій якісний склад. Основною причиною сучасної деградації природних вод землі є антропогенне забруднення. Головні джерела його:
Стічні води промислових підприємств;
Стічні води комунального господарства міст та інших населених пунктів;
Стоки систем зрошення, поверхневі стоки з полів та інших сільськогосподарських об'єктів;
Атмосферні випадання забруднювачів на поверхню водойм і водозбірних басейнів.
Антропогенне забруднення гідросфери в даний час набуло глобального характеру і суттєво зменшило доступні експлуатаційні ресурси прісної води на планеті. Загальний обсяг промислових, сільськогосподарських і комунально-побутових стоків становить ≈ 1300 км 3. Загальна маса забруднювачів гідросфери ≈ 15 млрд т в рік.
