Как и почему!?

Все биологические системы, от особи до биосферы, характеризуются постоянной адаптацией к условиям окружающей среды. В результате создается динамическое равновесие, связанное с определенным набором экологических факторов. Достаточно изменить один из этих факторов, чтобы равновесие изменилось. Если пределы возможности адаптации превышены, равновесие нарушается, что приводит к гибели индивидуумов или к разрушению системы.

Термин «гомеостаз» означает способность организма, популяции, сообщества или любой другой биологической системы поддерживать состояние равновесия при изменениях среды обитания (например, при резком похолодании или засухе).

Основные законы адаптации. Процессами адаптации управляют различные законы. Закон лимитирующих факторов (закон минимальных факторов), открытый немецким химиком Юстасом фон Либихом в XIX веке, утверждает, что реакция живых организмов зависит от экологического фактора, который присутствует в среде в минимальном количестве. Это может быть, например, минеральный элемент питания (фосфор, азот, калий, магний), который содержится в почве в небольшом количестве и ограничивает рост растений.

Согласно еще одному закону, «закону толерантности», для индивидуума, популяции или любой другой более сложной экологической системы существует область значений, так называемый «интервал выносливости», в пределах которого возможно ее развитие. В пределах этого интервала выделяются оптимальные значения, при которых любая экологическая характеристика (рост, размножение и т. д.) будет максимальной. За пределами оптимума существует зона меньшей благоприятности, в пределах которой выживание все еще возможно, но экологические характеристики стремятся к нулю.

Сочетание двух основных ограничительных факторов позволяет составить диаграмму условий, в которых может существовать вид или определенный биоценоз.

Основные типы адаптации. В зависимости от характера адаптации к экологическим факторам выделяют физиологическую и морфологическую адаптацию. Физиологическая адаптация характеризуется изменением обмена веществ, который позволяет рассматриваемой биологической системе развиваться в крайних экологических условиях, то есть за пределами нормального интервала толерантности. Так, популяцию рыб можно постепенно приспособить к очень теплой воде, если максимально переносимую температуру повысить, например, с 26 до 38 °С.

Для беспозвоночных животных физиологической адаптацией является диапауза, при которой животное принимает определенную форму жизненного цикла (например, личинка). Для нее характерна остановка в развитии, которая позволяет организму пережить неблагоприятный климатический период.

Более сложное приспособление выражается в изменении формы индивидуума при воздействии на него одного или нескольких экологических факторов. Так, если стрелолист растет на берету реки, он образует розетку листьев, мощную корневую систему и ланцетовидные листья и, наоборот, имеет прямостоячий стебель, слаборазвитую корневую систем)’ и вытянутые коленчатые листья, если растет в воде. Каждый из этих морфологических типов — пример адаптации к окружающей среде.

Естественный отбор и экологическая адаптация. Если изменение продолжается долго, популяции подвергаются генетическому отбору, который позволяет им наилучшим образом приспособиться к новым условиям. В процессе эволюции появляются экотипы. Хорошим примером является тысячелистник (Achillea lanulosa). На равнине он представляет собой растение до 80 см высотой, а в горах, напротив, имеет розеточную форму (листья, собранные у поверхности почвы), и его высота не превышает 20 см. Это не что иное, как результат адаптации к сильному холоду и снегу. Если семена тысячелистника, собранные в горах, посеять на равнине, то из них вырастут растения с признаками высокогорных форм. Следовательно, здесь мы имеем дело с экотипом.

Еще один более общий пример, демонстрирующий роль естественного отбора при адаптации к экологическому фактору, — мимикрия. Здесь происходит адаптация к биотическому фактору — хищничеству. В ходе смены поколений отбирались виды, имитирующие субстрат, то есть нечто невидимое для хищников, например, туловище некоторых обитающих на древесной коре насекомых имитирует лишайники, часто растущие на деревьях. В другом случае мимикрия приводит к тому, что вид-жертва имитирует ядовитый вид (некоторые бабочки имитируют бабочек из семейства Danaidae, в организме которых содержатся алкалоиды, не переваривающиеся птицами и другими насекомоядными) или вид-хищник (например. Calligo, бабочки Амазонии, чьи крылья похожи на голову хищной ночной птицы).

Причины разрушения многочисленны: чрезмерный выпас, разрастание городов, развитие промышленности, деградация почв, осушение в гумидных зонах и т. д.

Перевыпас. Когда домашних животных становится слишком много, происходит перевыпас. Это приводит к снижению продуктивности пастбищных растений и замене их ядовитыми или несъедобными для скота видами, а также к значительной эрозии почвы.

Урбанизация и индустриализация. Промышленное и жилищное строительство, а также развитие инфраструктуры — серьезная причина разрушения многих естественных местообитаний.

Во Франции, например, размеры поверхности, ежегодно покрываемой асфальтом или бетоном, оцениваются в среднем в 100 000 га (т. е. примерно в 10 раз превышают площадь Парижа).

Деградация почвы. Последствия сведения лесов, перевыпаса, отрицательного воздействия сельскохозяйственной техники, урбанизации и т. д. ощущаются во всем мире.

Главный вред обрабатываемым землям и пастбищам наносит водная и ветровая эрозия. Первая происходит в результате поверхностного стока в регионах с обильными дождями, вторая развивается под действием ветра в семиаридных регионах на оголенных после сбора урожая почвах. В Западной Европе эти два типа эрозии приводят к потерям почвы, в среднем превышающим 20 тонн с гектара в год.

Почвы подвергаются и другим видам деградации, имеющим физическую или химическую природу. Сюда можно отнести латеризацию, которая происходит в результате лессиважа почвы после сведения тропических лесов; на почве образуется плотный латеритный покров, по цвету и прочности похожий на кирпич; инфильтрационные воды растворяют или вымывают растворимые соли и другие минеральные вещества почвы в глубокие слои, где они накапливаются. Следует отметить и опустошающий эффект, вызываемый применением пестицидов и химических удобрений.

Подсчитано, что в мире 56% деградации почв приходится на долю водной эрозии, 28% на долю ветровой эрозии, 12% — химического выветривания и 4% — физического выветривания.

Осушение в гумидных зонах. Гумидные (заболоченные) территории в настоящее время осушаются с помощью дренажа, чтобы использовать их под сельскохозяйственные культуры, строительство, прокладку дорог и т. д.

Осушение проводится во всем мире, а началось оно еще в Древнем Риме, когда была осушена значительная часть прибрежных средиземноморских земель. В Италии осталось не более 190 000 га болот, прудов и лиманов, против 3 миллионов гектаров в первые годы Римской империи.

Скорость осушения резко возросла в XX веке. Так, в Испании потеряно 65% площади переувлажненных земель, причем основная часть — с 1950 года. В Северной Америке процесс происходит еще быстрее. Из 87 миллионов гектаров гумидных земель, иливщихся в США в начале XIX века, сегодня осталось не более 30. Во всем мире более 30% площади переувлажненных земель уничтожено.

Термин «экология» (дословно: «изучение местообитания») был предложен немецким зоологом Эрнстом Геккелем в 1866 году, чтобы обозначить науку, объектом которой являются взаимосвязи между живыми существами и средой их обитания. Особенность экологии в том, что она изучает и приспособление живых организмов к среде их обитания, и взаимодействие организмов со средой и между собой. В поле зрения экологии попадает все, что относится к верхнему уровню организации жизни, поскольку она занимается изучением биологических систем вплоть до самых сложно организованных. По степени сложности предмета исследования в экологии различают четыре уровня. Нижний уровень — это аутоэкология, изучающая индивидуум в его естественной среде обитания и влияние на него различных экологических факторов (температуры, осадков, обводненности). Наука более сложного уровня (демоэкология) занимается изучением популяций. Наиболее специфичная часть экологии — синэкология — изучает экосистемы. И наконец, глобальная экология, объектом изучения которой является изучение биосферы в целом.

Единственным источником энергии, поступающей в экосистему, является солнечная энергия. В результате фотосинтеза солнечная энергия превращается в биохимическую энергию, заключенную в молекулах живого вещества — сахарах, жирах, белках. Солнечная энергия становится определенным количеством живого вещества («растительной биомассы»), поглощаемой затем другими компонентами экосистемы.

Цепи питания. Круговорот энергии и вещества осуществляется в экосистеме через цепи питания, связи между организмами, занимающими последовательные трофические уровни.

Цепи питания организованы по схеме:

Растения — травоядные животные — хищники 1-го порядка — хищники 2-го порядка

Часть энергии, заключенной в растительной биомассе, используется травоядными животными, которые трансформируют ее в животную биомассу. Хищники, в свою очередь, питаются травоядными животными и используют часть их биомассы, и так до самого верхнего трофического уровня. Цепи питания экосистемы объединены и взаимосвязаны в виде трофических систем.

Продуктивность экосистем. По всей трофической цепи циркулирует двойной поток веществ и энергии; энергия заключена в живой биомассе в виде органических соединений. Часть растительной биомассы поставляет энергию для дыхания растений в виде глюкозы, этого «топлива» для живых организмов. Остальная («несгоревшая») часть составляет вещество, которое может быть использовано в трофической системе. Травоядные используют его часть, из которой образуется вторичная продукция в виде животной биомассы, эквивалентная энергии, содержащейся в растениях, которые они поедают. Часть этой продукции, в свою очередь, используется хищниками 1-го порядка, и так далее до последнего трофического уровня.

Этому обмену энергией чужда максимальная продуктивность, поскольку в процессе круговорота энергии в экосистемах происходят неизбежные потери. По закону Линдемана, только часть энергии (часто порядка 10%), достигшей определенного трофического уровня, переводится на более высокий трофический уровень.

Если «сложить» переходы энергии, происходящие на каждом трофическом уровне, получится пирамида энергии экосистемы.

Физиологическая деятельность, обусловливающая рост и нормальное развитие разных организмов, выражается в производстве биомассы. Общее количество живого материала, произведенного за определенный промежуток времени, называется продукцией брутто; оставшееся количество биомассы после вторичного использования ее для дыхания организмов называется продукцией нетто.

Термин «продуктивность» в экологии означает количество биомассы, производимой на единице поверхности в единицу времени. Первичная продуктивность экосистем соответствует всей продукции растительного материала, созданной деятельностью зеленых растений и (или) других типов автотрофных организмов. Она выражается в тоннах сухого вещества на гектар в год или количеством связанного органического углерода в граммах углерода на квадратный метр в год. Вторичная продуктивность, соответствующая комплексу живого материала, произведенного животными, выражается в килограммах сухого живого вещества на гектар в год.

Биогеохимические циклы. В процессе круговорота веществ в экосистеме осуществляется перенос элементов питания к растениям, а затем к животным. Мертвое органическое вещество, гак растительное, так и животное, разлагается гетеротрофами, в результате чего происходит полная его минерализация, завершающая круговорот. Биогеохимический круговорот — круговорот основных элементов живого вещества, характеризующийся постоянным переходом из минерального состояния в органическое и обратно.

Для экологии в целом наиболее важны круговороты биогенных элементов, составной части живого вещества. В порядке убывания количества элементов в биосфере, это круговорот углерода, кислорода, водорода, азота, фосфора, серы, и т. д., к которым нужно добавить круговорот воды.

Термин «экосистема», введенный английским ботаником Тэнсли в 1935 году, — основное понятие экологии. Он применяется для структурной и функциональной характеристики любой по сложности экологической системы: к ландшафтам, биогеографическим регионам и к биосфере в целом.

Экосистема включает два взаимосвязанных компонента, находящихся в постоянном взаимодействии: биотопа, т. е. окружающей среды, физико-химической абиотической (и следовательно, инертной) составляющей, и биоценоза, т. е. совокупности живых организмов, населяющих экосистему (бактерии, грибы, растения и животные). Таким образом, устанавливается зависимость: экосистема = биотоп + биоценоз Экосистема — функциональная единица, характеризующаяся постоянным потоком энергии и круговоротом веществ, которые связывают ее живые и неживые компоненты.

Весь комплекс организмов, составляющих биоценоз, можно разделить по их функциям на три категории. Продуценты — организмы, способные к фото — и хемосинтезу и являющиеся в пищевой цепи первым звеном, созидателем органических веществ из неорганических, т. е. автотрофные организмы. Консументы — организмы, являющиеся в пищевой цепи потребителями органического вещества. Консументами являются травоядные и плотоядные (хищники) животные. Редуценты – организмы (грибы и почвенные или водные бактерии), разлагающие мертвое органическое вещество (трупы, отбросы) и превращающие его в неорганические вещества. Консументы и редуценты относятся к гетеротрофным организмам, поскольку в пищевой цепи являются потребителями органического вещества.

Эти три категории организмов, связанные между собой в цепи питания (трофические цепи), характеризуются обменом энергии и веществ, осуществляющимися по схеме: продуценты — консументы — редуценты.

Сведение лесов, т. е. комплекс действий, в процессе которых человек разрушает лесные экосистемы, началось еще в палеолите. С течением времени оно многократно возросло и из-за интенсивного использования древесины, и из-за чрезмерного выпаса в лесах скота, который мешает возобновлению, и из-за раскорчевки с целью получения новых сельскохозяйственных площадей.

Чрезмерная эксплуатация лесов. Вырубки лесов с целью получения строительного материала и топлива началась еще в неолите и стала важной причиной исчезновения лесов. В начале новой эры причиной гибели многих европейских лесов послужило развитие парусного флота. Впоследствии развитие в Великобритании крупной индустрии, основанной на использовании древесного угля, привело к масштабным порубкам леса.

В наши дни вырубка бореальных хвойных лесов с целью получения строительного материала и в особенности бумажной массы достигла большого размаха во всем Северном полушарии. Так, на сегодня общий запас древесины в Канаде составляет не более 1/8 от запаса в начале XIX века. Чрезмерно эксплуатируются и некоторые тропические леса, например на юго-востоке Азии.

Во многих странах третьего мира древесина — единственный источник энергии. Леса там интенсивно вырубаются. В начале 1990 года потребление древесины в ряде тропических стран превышало 1,7 миллиардов м3 в год, что составляет более 50% общего мирового потребления древесины. На обширных пространствах Африки и Америки скорость вырубок значительно превышает скорость возобновления деревьев. В некоторых государствах леса полностью сведены.

Пожары.

Пожары, случайные или преднамеренные, представляют в настоящее время серьезную угрозу лесам. В Средиземноморье пожары уничтожают в среднем до 400 000 га леса в год. В Амазонии ежегодно в результате пожаров погибают более 100 000 км! леса. Самые крупные пожары в последнее время произошли в Индонезии. В 1982-1983 годах на острове Калимантан выгорел массив леса площадью около 5 млн га. О масштабах бедствия можно судить по тому, что аэропорт в Сингапуре, расположенный в 1400 км от зоны пожара, в течение недели был закрыт из-за задымления.

Выкорчевка леса.

Леса выкорчевывали еще в античные времена, чтобы занять освобожденные земли сельскохозяйственными культурами. Но и в наши дни в тропических регионах отсталые племена выжигают несколько гектаров леса, чтобы посадить овощи. Через несколько лет, после того как почва истощается, они раскорчевывают новые участки. При таком типе использования земли оборот составляет около 50 лет. Однако население сегодня растет куда быстрее, и в наши дни леса просто безжалостно уничтожаются. Так, пожары в Индонезии 1997-1998 годов, в частности, были выжиганием с целью создания обширных плантаций масличной пальмы. А вот амазонские леса страдают в основном от чрезмерного разведением крупного рогатого скота. Самое печальное что такая деятельность дает лишь эфемерный результат: лишенные растительности почвы быстро разрушаются в результате эрозии и превращаются в латериты.

В биосфере, на поверхности разных континентов, можно выделить обширные экосистемы, называемые макроэкосистемами, каждая из которых связана с определенным типом климата. Для каждой макроэкосистемы, которая называется биом, характерна совокупность только к ней относящихся видов живых организмов. Так, влажные тропические леса, средиземноморские леса и степи умеренных широт являются определенными биомами. Хотя этот термин не всегда используется в морской экологии, в океанической среде также можно выделить определенное количество биомов.

Читать полностью…

Сначала 1970-х годов охрана природы стала достаточно престижной, повышающей авторитет государства сферой. Осознав важность этой проблемы, многие страны подписали множество международных соглашений, направленных на охрану экосистем и видов, находящихся под угрозой исчезновения.

Читать полностью…

Экосфера состоит из атмосферы, Мирового океана и верхней части литосферы.

К ней принято относить и комплекс геологических слоев, которые могут быть выведены на поверхность при тектонических движениях. Экосфера включает также самые верхние слои атмосферы (стратосферу, мезосферу и ионосферу). Экосфера создает необходимые условия для существования биосферы, которая является ее составной частью. Так, озоновый слой стратосферы, внешняя часть биосферы, делает возможным существование жизни на континентах.

Термин «биосфера», введенный русским геохимиком В. И. Вернадским в 1925 году, обозначает сложную взаимосвязанную систему на поверхности Земли, включающую в себя среды с уникальными физико-химическими характеристиками (океан, атмосферу и верхнюю часть литосферы) и комплекс живых организмов.

Биосфера состоит из трех компонентов:

• - педосферы, включающей почвы (тонкий верхний слой литосферы), а также морские отложения, или как ее чаще называют литосферы, но это некорректное понятие в данном случае;
• - гидросферы, включающей Мировой океан, воды суши и полярные льды;
• - атмосферы, нижние слои которой составляют внешнюю газообразную оболочку.

Для биосферы характерно динамичное равновесие — это результат бесчисленных взаимосвязанных биологических и физико-химических процессов.

Биосфера включает в себя экосистемы, четко различающиеся по структуре и функционированию. Каждая из них характеризуется комплексом только ей присущих физико-химических и биологических особенностей и занимает определенную географическую зону различной площади.

Происхождение и эволюция. Возраст биосферы составляет около 4 миллиардов лет. За это время Мировой океан уменьшился в размерах. Появление фотосинтезирующих сине-зеленых бактерий (около 3,5 миллиардов лет назад), одноклеточных водорослей морского фитопланктона (около 2 миллиардов лет назад) и, наконец, зеленых наземных растений (в начале палеозоя) представляют важные этапы в эволюции биосферы.

Фотосинтезирующие морские организмы создали кислород атмосферы, увеличение количества которого привело к возникновению озонового слоя стратосферы около 1,7 миллиарда лет назад. Он окончательно сформировался около 800 миллионов лет назад. Это позволило развиться жизни на континентах.