Курс лекций по Экологии 2 (стр. 5 из 15)
2) факторы, зависящие от плотности популяции (биотические: конкуренция, хищничество, болезни и т.п.). Именно вторая группа факторов (внешних и внутренних) обеспечивает регуляцию численности популяции.
В итоге диапазон колебаний численности популяций в нормальных условиях не выходит за нижний порог, нарушающий механизмы воспроизводства, и верхний порог, приводящий к истощению доступных ресурсов и условий для размножения (правило лимитов численности популяции). Верхний предел численности популяции чаще всего обусловлен количеством пищевых ресурсов (экологической емкостью среды в отношении к данной популяции).
В управлении природными популяциями человек должен шире использовать природные механизмы регуляции численности. Так, широко применяемые химические методы борьбы с вредителями в сельском хозяйстве зачастую бывают неэффективны, т.к. пестициды не являются факторами-регуляторами, и популяции вредителей вырабатывают комплекс приспособлений к ним. Более экологически оправдано использование биологических методов борьбы: хищников, паразитов, возбудителей заболеваний и т.п.
Биоценоз представляет собой исторически сложившуюся совокупность популяций организмов, приспособленных к совместному обитанию в данном биотопе. Каждая популяция занимает определенное местообитание и выполняет определенную функцию в сообществе. Таким образом, участие популяции в структуре какого-либо биоценоза означает не только соответствие его среды биологии данного вида организмов, но и потребность биоценоза в данной популяции. «Ненужных» популяций в биоценозе не бывает.
Одним из ключевых понятий в экологии является понятие об экологической нише – пространственном и функциональном месте, которое может быть занято или занимается популяцией конкретного вида в сообществе. Экологическая ниша – это «адрес» популяции и ее «профессия» в сообществе. Виды, способные выполнять одну и ту же функцию в сообществе и предъявляющие сходные требования к среде, всегда вступают в конкурентные отношения, и с течением времени происходит вытеснение одного вида другим, более жизнеспособным, либо, при равных возможностях, происходит специализация видов – некоторое расхождение их функций в сообществе.
Исчезновение экологических ниш, связанное с растущим наступлением антропогенных территорий на природные экосистемы, является одной из главных причин вымирания видов, характерного для современного экологического кризиса. Так, распашка степей на территории Белгородской области привела к почти полному исчезновению некоторых степных видов птиц (дрофы, степной тиркушки). Сохраняя редкие виды, следует в первую очередь сохранять их экологические ниши.
Положение, согласно которому два вида в сообществе не могут занимать одну и ту же экологическую нишу, носит название «закона конкурентного исключения» или «правила экологических ниш». Так, в Белгородской области европейская норка вытесняется завезенной американской норкой, черная крыса повсеместно вытесняется серой крысой. Сам человек разумный (Homo sapiens), по мнению многих ученых, около 40 тыс. лет назад вытеснил другой конкурировавший с ним вид, человека неандертальского (Homo neanderthalensis).
В учении об экологической нише есть один очень важный аспект: если экологическая ниша вида в сообществе исчерпана, то есть сообщество в данном виде не нуждается, то такой вид вымирает. В этом отношении человек – не исключение. Человечеству еще предстоит осознать свое место в экологических системах Земли, свою экологическую нишу.
► Для закрепления теоретического материала рекомендуется выполнить практические работы 2 и 3.
Тема 3. Биосфера и антропогенное воздействие. Глобальные экологические проблемы.
Термин биосфера (от греч. «биос» – жизнь и «сфера» – шар) ввел в науку геолог, профессор Венского университета Эдвард Зюсс в 1875 г. для обозначения области земной поверхности, населенной жизнью. Предшественником современного представления о биосфере считают В.В. Докучаева, который отмечал важную геологическую роль живых организмов и говорил о необходимости целостного подхода к изучению природы. Его учеником был В.И. Вернадский (1863-1945) – академик, основатель новой науки – биогеохимии, которая рассматривает роль живого вещества в преобразовании земной поверхности. В своем главном труде «Химическое строение биосферы Земли и ее окружения» В.И. Вернадский высказал идею о том, что жизнь – важный фактор развития нашей планеты. В создании земной коры активно участвовали живые организмы; они и сейчас определяют специфику Земли.
Биосфера, по В.И. Вернадскому, это оболочка Земли, в пределах которой существует жизнь. Большинство ученых в качестве верхней теоретической границы биосферы указывают озоновый слой, средняя высота которого составляет 25 км (рис. 7). Выше живые организмы погибают от жесткого космического излучения, хотя споры бактерий обнаруживали и на высоте до 70 км.
Практически же максимальная высота над уровнем моря, на которой может существовать живой организм, ограничена уровнем, до которого сохраняются положительные температуры и могут жить хлорофиллосодержащие растения-продуценты (6,2 км в Гималаях). Выше эффективный фотосинтез невозможен из-за низкого парциального давления углекислого газа. Далее, до «линии снегов», обитают лишь пауки, ногохвостки и некоторые клещи, питающиеся зёрнами растительной пыльцы, спорами растений, микро-организмами и другими органическими частицами, заносимыми ветром. Ещё выше живые организмы могут попадаться лишь случайно.
На высотах 7,5-8 км критически низкого для абсолютного большинства организмов значения достигает другой абиотический фактор – абсолютное атмосферное давление. Наиболее зависимы от величины давления птицы и летающие насекомые, преимущественно занимающие нижнюю зону (0-1 км), хотя отдельные виды птиц (орлы, кондоры) могут постоянно жить и на высотах 4-5 км.
Вся толща Мирового океана по современным представлениям полностью занята жизнью. Нижний предел существования активной жизни традиционно определяют дном океана (максимум 11022 м – глубина Марианской впадины) и глубиной литосферы, характеризующейся температурой 100 оС (около 6 км, по данным сверхглубокого бурения на Кольском полуострове). В основном жизнь в литосфере распространена лишь на несколько метров вглубь, ограничиваясь почвенным слоем. Однако по отдельным трещинам и пещерам она распространяется на сотни метров, достигая глубин 3-4 км.
Возможно пределы биосферы намного шире, так как в гидротермах дна океана на глубинах около 3 км при температуре 250 оС обнаружены организмы. На таких глубинах давление составляет около 30 МПа (300 атм), что позволяет воде присутствовать в жидком состоянии, тогда как пределы жизни ограничены точками перехода ее в пар и сворачивания белков. Теоретически на глубинах 2,5 км относительно уровня моря должна иметь место критическая температура 460 оС, при которой при любом давлении вода существует только в виде пара, а, следовательно, жизнь невозможна.
Рис. 7. Распределение живых организмов в биосфере: 1 – озоновый слой; 2 – граница снегов; 3 – почва; 4 – животные, обитающие в пещерах; 5 – бактерии в нефтяных водах (высоты и глубины даны в метрах)
Таким образом, исключая «предельные» оценки, «мощность» биосферы составляет около 10 км на территории суши и около 20 км на территории океана (см. рис. 7). Это примерно 1/320 часть радиуса Земли. Если представить биосферу сплошным слоем живого органического вещества, то получится пленка около 5-6 мм. Это является причиной использования понятия «пленка жизни».
Рассмотрим основные характеристики биосферы.
Биосфера обладает свойством гомеостаза – поддержания постоянства физических и химических параметров среды. Это свойство обеспечивается наличием озонового экрана, защищающего от губительного космического излучения. Кроме того, газовый состав атмосферы почти полностью контролируется живыми организмами. Наличие Мирового океана, играющего роль «термостата», обеспечивает поддержание теплового баланса.
Биосфера – это кибернетическая система, т.е. система, в которой один из элементов (живое вещество) играет определяющую роль в функционировании всей системы. Живые организмы в биосфере не изолированы от неорганического, «косного» вещества, а вместе с ним образуют особые «биокосные» тела, в которых живое и неживое вещество проникают друг в друга (почва, илы, водоемы).
Биосфера имеет мозаичное и иерархическое строение – состоит из экосистем различного типа и ранга. Саму биосферу можно считать глобальной экосистемой Земли.
Важной характеристикой биосферы является биологическая миграция элементов и их биологический круговорот. Основные элементы, необходимые организмам (водород, углерод, кислород, азот, калий, кальций, фосфор, сера и нек. др.), многократно проходят через циклы биологического круговорота. Обновление живого вещества в биосфере происходит в среднем за 8 лет. Растения обновляют свою биомассу в среднем за 14 лет, биомасса океана обновляется за 33 дня. Полная «смена вод» в биосфере происходит за 2 800 лет, «смена» углекислого газа в атмосфере – за 6,3 года, кислорода – за несколько тысяч лет. Степень «замкнутости» круговорота веществ в биосфере составляет 90-98 %.
Преобразование солнечной энергии в энергию органического вещества – фундаментальное свойство биосферы. Живое вещество выступает посредником между Солнцем и Землей. Растения усваивают около 1 % солнечной энергии, достигающей поверхности земли, на каждый последующий трофический уровень переходит около 10 % энергии («правило 10 %»).
Живые организмы заполняют все пригодные для жизни среды. Эта закономерность отражает «всюдность жизни». Если в биосфере появляются свободные участки поверхности (обнажения дна, изверженные породы, отвалы горных пород), они сразу же заселяются организмами. Это явление получило название «давление жизни».