Основы экологии и охраны природы

Содержание 1. Основы экологии 1.1 Задание №18. Факторы, оп ределяющие длину пищевых ц епей 1.2 Задание №25. Особенности функционирования типичных наземных экосистем 2 Охрана природы 2.1 Задание №4. Понятие о п редельно-допустимой концентрац ии (ПДК) з агрязняющих веществ в атмосфере 2.2 Задание №37. Роль ж иво тных в круговороте веществ в природе 3 Список используемой л итературы 1. Осн овы экологии 1.1 Задание №18. Факторы, о пределяющие длину пищевых цепей Пищевая цепь, трофическая и ли цепь питания — взаимоотношения между организмами, через которые в эк осистеме происходит трансформация вещества и энергии. Так, например, тра ва служит пищей коровам, которые, в свою очередь, служат пищей человеку. Трофическая - ряд видов, в ко тором каждый предыдущий вид служит пищей последующему (например, растен ия - гусеницы - насекомоядные птицы - хищные птицы). Многие виды могут входи ть в разные цепи питания. Пищевая цепь представляет собой линейную структуру из "звеньев ", каждое из которых связано с соседними звеньями отношениями «пища — по требитель». В качестве звеньев цепи выступают группы организмов, наприм ер, конкретные биологические виды. Связь между двумя звеньями устанавли вается, если одна группа организмов выступает в роли пищи для другой гру ппы. Первое звено цепи не имеет предшественника, то есть организмы из это й группы в качестве пищи не использует другие организмы, являясь продуце нтами. Чаще всего на этом месте находятся растения, грибы, водоросли. Орга низмы последнего звена в цепи не выступают в роли пищи для других органи змов. Каждый организм обладает некоторым запасом энергии, то есть можно говор ить о том, что у каждого звена цепи есть своя потенциальная энергия. В проц ессе питания потенциальная энергия пищи переходит к её потребителю. При переносе потенциальной энергии от звена к звену до 80-90 % теряется в виде теп лоты. Данный факт ограничивает длину цепи питания, которая в природе обы чно не превышает 4-5 звеньев. Чем длиннее трофическая цепь, тем меньше прод укция её последнего звена по отношению к продукции начального. Существует 2 основных типа трофических цепей — "пастбищные " и "детритные ". В пастбищной трофической цепи (цепь выедания) основу составляют автотро фные организмы, затем идут потребляющие их растительноядные животные (н апример, зоопланктон, питающийся фитопланктоном), потом хищники (консуме нты) 1-го порядка (например, рыбы, потребляющие зоопланктон), хищники 2-го пор ядка (например, щука, питающаяся другими рыбами). Особенно длинны трофиче ские цепи в океане, где многие виды (например, тунцы) занимают место консум ентов 4-го порядка. В детритных трофических цепях (цепи разложения), наиболее распространен ных в лесах, большая часть продукции растений не потребляется непосредс твенно растительноядными животными, а отмирает, подвергаясь затем разл ожению сапротрофными организмами и минерализации. Таким образом, детри тные трофические цепи начинаются от детрита, идут к микроорганизмам, кот орые им питаются, а затем к детритофагам и к их потребителям — хищникам. В водных экосистемах (особенно в эвтрофных водоемах и на больших глубинах океана) значит, часть продукции растений и животных также поступает в де тритные трофические цепи. Перенос энергии от ее источника (растений) через ря д организмов называют пищевой цепью. Все живые организмы связаны между с обой энергетическими отношениями, поскольку являются объектами питани я других организмов. Травоядные животные (потребители первого порядка) п оедают растения, первичные хищники (потребители второго порядка) поедаю т травоядных, вторичные хищники (потребители третьего порядка) поедают х ищников помельче. Таким образом создаются пищевые цепи из продуцентов и консументов, которые на разных этапах смыкаются с сообществом редуцент ов. На суше пищевые цепи первого типа состоят обычно из 3-5 звеньев, например: р астения — овца — человек — трехзвенная цепь; растения — кузнечики — ящерицы — ястреб — четырехзвенная цепь; растения — кузнечики — лягуш ки — змеи — орел — пятизвенная цепь. Через пищевые цепи биогеоценозов суши подавляющее количество прироста растительной биомассы поступает через опад в цепи разложения. В морях распространены такие типы цепей: фитопланктон — рыбы — хищные птицы; фитопланктон — мелкие ракообразные — рыбы, питающиеся мелкими р ачками и ракообразными — хищные рыбы — хищные птицы. В водных сообщест вах большая часть биомассы, накопленной одноклеточными водорослями, пр оходит через цепь выедания и значительно меньшая включается в цепь разл ожения. Все типы пищевых цепей всегда существуют в сообществе таким образом, что член одной цепи является также членом другой. Соединение цепей образует пищевую сеть экосистемы. Угнетение или разрушение любого звена экосист емы с неизбежностью отразится на экосистеме в целом. Поэтому вмешиватьс я в жизнь экосистем надо с большой осторожностью и осмотрительностью. В первичной продуктивности различают валовую и ч истую продуктивность. Валовая первичная продуктивность - это скорость, с которой растения накапливают химическую энергию при фотосинтезе. Част ь ее - около 20 % - они тратят на дыхание - поддержание собственной жизнедеяте льности, которая затем в виде теплоты выделяется в окружающую среду и те ряется для экосистемы. Скорость накопления органического вещества про дуцентами за вычетом расхода на дыхание называется чистой первичной пр одуктивностью. Это энергия, которую могут использовать организмы следу ющих трофических уровней. Скорость накопления органического вещества на уровнях консументов называется вторичной продуктивностью. Из рассмотренного механизма передачи энергии по цепи живого вещества в экосистеме видно, что в каждом звене пищевой цепи часть энергии - около 90 % - теряется. Поэтому длина пищ евой цепи огра ничивается размерами этих потерь и, как правило, составляет 3 - 4 уровня. В результате последовательности превращений эне ргии в пищевых цепях каждое сообщество живых организмов в экосистеме пр иобретает определенную трофическ ую структуру. Т рофическая струк тура сообщества отражает соотно шение между продуцентами, консументами (отдельно первого, второго и т.д. п орядков) и редуцентами, выраженное или количеством особей живых организ мов, или их биомассой, или заключенной в них энергией, рассчитанных на еди ницу площади в единицу времени. Графически трофическую структуру сообщ ества предста вляют в виде пирамиды. Основани ем пирамиды служит первый троф ический уровень - уровень проду центов, а последующ ие уровни образуют следующие этажи пирамиды. При этом высота всех блоков -этажей - одинакова, а длина пропорциональна числу, биомассе или энергии н а соответствующем уровне. Реальные пищевые цепи в естественных условиях могут быть очень ветвист ыми. Множество трофических цепей, переплетаясь в экосистеме, образуют сл ожные пищевые цепи. При поедании одних организмов другими вещество и пища переходят на следующий трофический уровень. Количество органичес кого вещества, накопленного гетеротрофами, называется вторичной проду кцией. Поскольку гетеротрофы дышат и выделяют не переваренные остатки, в каждом звене часть энергии те ряется. Это накладывает существенное ограничение на длину пищевых цепе й; количество звеньев в них редко бывает больше 1.2 З адание №25. Особенности функционирования типичных наземных экосистем В каждой на земной экосистеме есть абиотический компонент – биотоп, или экотоп – участок с одинаковыми ландшафтн ыми, климатическими, почвенными условиями; и биотический компонент – со общество, или биоценоз – совоку пность всех живых организмов, населяющих данный биотоп. Биотоп является общим местообитанием для всех членов сообщества. Биоценозы состоят из п редставителей многих видов растений, животных и микроорганизмов. Практически каждый вид в биоценозе пр едставлен многими особями разного пола и возраста. Они образуют популяц ию (или часть популяции) данного вида в экосистеме. Биоценоз очень трудно рассматривать отдельно от биотопа, поэтому вводят такое понятие, как био геоценоз ( биотоп+биоценоз). Биогеоценоз - элементарная наземная экосист ема, главная форма существования природных экосистем. Этот термин ввел В .Н.Сукачев. Для наземной экосистемы характерна ярусность, т.е. разделение на разновысокие структурные части. Для каждого яруса чаще вс его характерен собственный биоценоз. Все существующие естественные экологические сис темы можно разделить на два основных типа — наземные и водные. Несмотря па то что в обоих типах сообществ присутствуют и действуют основные экол огические компоненты, существуют значительные функциональные и структ урные отличия. В сухопутных (наземных) экосистемах продуценты (автотроф-ный компонент) представляют собой крупные организмы, у которых от года к году происходи т накопление биомассы. Например, прирост деревьев в лесу, рост трав за сез он вегетации, созревание семян и плодов (накопление надземной биомассы) или разрастание корневой системы травянистых растений на лугах и в степ ях (накопление подземной биомассы). Накопленную биомассу можно изъять и виде урожая. Наземные экосистемы играют особую роль в жизни че ловека, поскольку урожай в них можно получать на всех трофических уровня х в отличие от водных сообществ, где используется только верхняя часть э кологической пирамиды. Следовательно, особенности двух типов экосисте м необходимо учитывать при эксплуатации природных ресурсов. Между крайними типами экосистем существует множество переходных вариа нтов, тесно связанных друг с другом. Различные экосистемы взаимодейству ют, образуя сложную структуру биосферы. Между экосистемами происходит о бмен живыми организмами и их зачатками (личинками, спорами, семенами и т. п .). Благодаря подвижности воздуха и воды, перепадов (градиента) температур ы, диффузии газов происходит расселение растений, животных и микроорган измов. Птицы и насекомые перемещаются во время сезонных перелетов - так ж е, как другие животные во время кочевок. Вещество перемещается в виде твердых и жидких частиц. Часто минеральные элементы сдуваются ветром и смываются водой с горных пород. Обмен энерги ей происходит как в виде тепла, так и в виде энергии химических связей (т. е. органических соединений). По отношению к межбиоценотическим связям можно выделить три основные г руппы наземных экосистем: 1. стабильные сообщества , расположенные на равнинных междуречьях, в которых вынос веществ в друг ие экосистемы и получение их со стороны незначительны; 2. мало теряющие, но много получающ ие биоценозы, располо женные на низких уровнях рельефа, где накапливаютс я большие запасы органического вещества; 3. много теряющие, но мало получающ ие экосистемы на крутых склонах. Так образуется цепь экосистем, перерасп ределяющая веще ство и энергию в биосфере. Наземные э косистемы, поглощая или выделяя огромное количество парниковых газов (С О2, метана, оксидов азота), тем самым не только участвуют в глобальном круг овороте углерода, но и оказывают заметное влияние на климат. Однако не ме ньшее значение имеет и обратное воздействие — влияние климата на проце ссы, протекающие в экосистемах. 2 Охрана природы 2.1 Задание №4. Понятие о п редельно-допустимой концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосфер е Предельно допустимая концентрация ( ПДК ) вредных веществ — это максимальная концентрация вредного вещества, которая з а определенное время воздействия не влияет на здоровье человека и его по томство, а также на компоненты экосистемы и природное сообщество в целом . В атмосферу поступает множество примесей от различных промышленных пр оизводств и автотранспорта. Для контроля их содержания в воздухе нужны в полне определенные стандартизированные экологические нормативы, поэт ому и было введено понятие о предельно допустимой концентрации. Величин ы ПДК для воздуха измеряются в мг/м3. Разработаны ПДК не только для воздуха , но и для пищевых продуктов, воды (питьевая вода, вода водоемов, сточные во ды), почвы. Предельной концентрацией для рабочей зоны считают такую концентрацию вредного вещества, которая при ежедневной работе в течение всего рабоче го периода не может вызвать заболевания в процессе работы или в отдаленн ые сроки жизни настоящего и последующих поколений. Предельные концентрации для атмосферного воздух а измеряются в населенных пунктах и относятся к определенному периоду в ремени. Для воздуха различают максимальную разовую дозу и среднесуточн ую. В зависимости от значения ПДК химические вещества в воздухе классифици руют по степени опасности. Для чрезвычайно опасных веществ (пары ртути, с ероводород, хлор) ПДК в воздухе рабочей зоны не должна превышать 0,1 мг/м3. Ес ли ПДК составляет более 10 мг/м3, то вещество считается малоопасным. К таким веществам относят, например, аммиак. Таблица 1 . Предельно допустимые концентрации некоторых газообразных веществ в атмосферном воздухе и воз духе производственных помещений Вещество ПДК в атмосферном воздухе, мг/м3 ПДК в воздухе произв. помещений, мг/м3 Диоксид азота Максимальная разовая 0,085 Среднесуточная 0,04 2,0 Диоксид се ры Максимальная разовая 0,5 Среднесуточная 0,05 10,0 Монооксид углерода Максимальная разовая 5,0 Среднесуточная 3,0 В течение рабочего дня 20,0 В течение 60 мин.* 50,0 В течение 30 мин.* 100,0 В течение 15 мин.* 200,0 Фтороводород Максимальная разовая 0,02 Среднесуточная 0,005 0,05 * Повторные работы в условиях повышенного содержания СО в воздухе рабочей зоны могу т проводиться с перерывом не менее 2 часов Таблица 2 . Предельно допустимые концентрации некоторых ионов в питьевой воде Ион ПДК, г/м3 Катион алюминия 0,2 Катион железа 0,2 Катион меди 0,01 Катион ртути 0,01 Катион цинка 0,01 Нитрат-ион 0,5 Сульфат-ион 20 Хлорид-ион 20 Таблица 3 . Предельно допустимые концентрации некоторых вредных веществ в питьевой воде Вещество ПДК, мкг/л Гидрохинон 200 Дихлорфенол 2 Крезол 4 Пентахлорфенол 10 Трихлорфенол 4 Трихлорэтилен 70 Фенол 1 Хлороформ 60 Четыреххлористый углерод 6 Таблица 4 Предельно допустимые концентрации некоторых химических элементов в почве Элемент ПДК, мг/кг Кобальт 5 Медь 3 Мышьяк 2 Ртуть 2 Свинец 20 Сурьма 5 Фтор 3 Цинк 20 ПДК устанавливаются для среднестатистического ч еловека, однако ослабленные болезнью и другими факторами люди могут поч увствовать себя дискомфортно при концентрациях вредных веществ, меньш их ПДК. Это, например, относится к заядлым курильщикам. Величины предельно допустимых концентраций некоторых веществ в ряде с тран существенно различаются. Так, ПДК сероводорода в атмосферном возду хе при 24-часовом воздействии в Испании составляет 0,004 мг/м3, а в Венгрии — 0,15 м г/м3 (в России — 0,008 мг/м3). В нашей стране нормативы предельно допустимой концентрации разрабатыв аются и утверждаются органами санитарно-эпидемиологической службы и г осударственными органами в области охраны окружающей среды. Нормативы качества окружающей среды являются едиными для всей территории РФ. С уче том природноклиматических особенностей, а также повышенной социальной ценности отдельных территорий для них могут быть установлены норматив ы предельно допустимой концентрации, отражающие особые условия. При одновременном присутствии в атмосфере нескольких вредных веществ однонаправленного действия сумма отношений их концентраций к ПДК не до лжна превышать единицу, однако это выполняется далеко не всегда. По неко торым оценкам, 67% населения России живут в регионах, где содержание вредны х веществ в воздухе выше установленной предельно допустимой концентра ции. В 2000 содержание вредных веществ в атмосфере в 40 городах с суммарным на селением около 23 млн. человек время от времени превышало предельно допус тимую концентрацию более чем в десять раз. При оценке опасности загрязнения в качестве образца сравнения служат и сследования, проводимые в биосферных заповедниках. А вот в крупных город ах природная среда далека от идеальной. Так, по содержанию вредных вещес тв Москву-реку в пределах города считают "грязной рекой" и "очень грязной р екой". На выходе Москвы-реки из Москвы содержание нефтепродуктов в 20 раз б ольше предельно допустимых концентраций, железа — в 5 раз, фосфатов — в 6 раз, меди — в 40 раз, аммонийного азота — в 10 раз. Содержание серебра, цинка, висмута, ванадия, никеля, бора, ртути и мышьяка в донных отложениях Москвы- реки превышает норму в 10-100 раз. Тяжелые металлы и другие ядовитые вещества из воды попадают в почву (например, при половодьях), растения, рыбу, сельск охозяйственную продукцию, питьевую воду, как в Москве, так и ниже по ее теч ению в Подмосковье. Химические методы оценки качества окружающей среды очень важны, однако они не дают прямой информации о биологической опасности загрязняющих в еществ — это задача биологических методов. Предельно допустимые конце нтрации являются определенными нормами щадящего воздействия загрязня ющих веществ на здоровье человека и природную среду. 2.2 Задание №37. Роль живот ных в круговороте веществ в природе В биогенном круговороте веществ, являющемся прир одным механизмом поддержания жизни на планете, заметную роль играют жив отные, участвуя в потоках веществ экосистем. К 70-м годам прошлого столетия разработка проблем, к асающихся значения животных в биогенном круговороте химических элемен тов, получила бурное развитие. Этот интерес определяется тем, что животные накап ливают многие элементы, в том числе и те, повышенные концентрации которы х могут оказаться токсичными для живого организма (ртути, свинца, селена, кадмия и др.). Вместе с растениями животные играют исключитель ную роль в миграции химических элементов. Выделяют три основных аспекта деятельности животных в биогенном круговороте. 1. Миграция химических элементов в результате трофической деятельности животных. Накопление элементов в биомассе животных, потребление их живо тными и возврат в почву. Миграция элементов по трофическим цепям. 2.Влияние роющей и гнездостроительной деятельности животных на миграци ю элементов в биогеоценозах. 3.Косвенное влияние животных на круговорот элементов в биогеоценозах в р езультате повреждения растений и др. процессов. Все формы участия животн ых в круговороте косвенно влияют на биогенную миграцию элементов расте ний и микроорганизмов. Геохимическая деятельность животных в бывшем СС СР наиболее подробно изучалась на черноземах Курской области, где был оп ределен химический состав животных 62 видов. Наиболее заметна роющая дея тельность млекопитающих, дождевых червей, социальных насекомых. Суммарная масса животных на 1 га по чвенного слоя может достигать 4 т и все они вместе с микроорганизмами уча ствуют во всех процессах, протекающих в почве и соответственно, в биоген ном круговороте веществ. Участвуя в круговороте веществ в природе, влияя на состояние и развитие других ее компонентов, животные играют важную роль в жизни биосферы. Основа жизни на Земле — зеленые растения, в тканя х которых при поглощении энергии солнечных лучей из углекислоты, воды и минеральных солей образуются различные органические вещества. Однако животные — это не второстепенный компонент природы, лишь потребляющий вещества, созданные растениями. Животные участвуют в великом круговоро те веществ в природе, без которого не может существовать ни один организ м, не может продолжаться жизнь на Земле. Любой природный комплекс организмов на поверхно сти нашей планеты включает три обязательных компонента: продуценты— з еленые растения, создающие органические вещества из неорганических; ко нсументы — животные, в большинстве питающиеся растениями и перерабаты вающие их ткани, рассеивающие органические вещества по поверхности поч вы или в ее толще, и редуценты — бактерии и грибы, превращающие органичес кие вещества, в том числе и рассеянные животными, опять в минеральные сол и и газы. Последние снова могут быть использованы листьями и корнями рас тений. Так устанавливается в природе круговорот веществ и энергии с учас тием организмов. Рисунок 1. Круговорот веществ в саваннах А фрики и участие в нем животных. 1 — цветы; 2 — бабочки; 3 — саранча; 4 — экскр ементы насекомых; 5 — корни; 6 — т ермиты; 7 — травы; 8 — экскременты млекопитающих; 9 — копытные; 10 — растите льные остатки; 11 — хищники; 12 — пт ицы. Животные играют прежде всего важнейшую роль в о бразовании почв, особенно беспозвоночные — насекомые, клещи, кивсяки, д ождевые черви и моллюски. Там, где много беспозвоночных-почвообразовате лей, очень хорошо развивается и растительный покров Земли. Вторая исключительно важная роль животных — уни чтожение больных и недостаточно жизнеспособных экземпляров растений. Так животные постоянно помогают естественному отбору, поддерживая жиз неспособность растений и ускоряя их эволюцию в направлении большей при способленности к изменяющимся условиям жизни. Подобную же роль играют х ищные и паразитические животные по отношению к растительноядным живот ным. Хищные и паразитические животные сдерживают чре змерное размножение растительноядных, иначе последние могли бы в течен ие немногих лет полностью уничтожить многие виды растений. Особенно бол ьшое значение имеют насекомоядные птицы, дневные хищные птицы и совы, ле тучие мыши, ящерицы, лягушки и жабы, муравьи, жужелицы, осы, мухи-ктыри, паук и и некоторые другие группы наземных позвоночных и беспозвоночных живо тных. Немалую роль играют и паразитические насекомые, нападающие на раст ительноядных, например наездники, бракониды, хальциды, мухи-тахины. Хищн ых и паразитических животных особенно много в теплых областях земного ш ара, где они успешно сдерживают размножение растительноядных. Только в т ех природных ландшафтах, которые слишком сильно нарушены вмешательств ом человека (при выпасе скота, при пожарах, заготовках леса), или же на пахо тных землях хищные и паразитические животные не всегда уживаются. Поэто му здесь постоянно происходят вспышки массового размножения раститель ноядных насекомых, причиняющих сильный вред дикорастущим и культурным растениям. Очень существенна роль наземных животных в перек рестном опылении большинства видов покрытосемянных растений и разносе семян, особенно деревьев и кустарников. В опылении участвуют десятки ты сяч видов диких пчел, распространенных от тропических гилей, саванн, пус тынь и степей до высокогорных лугов и Арктики. Даже на севере Гренландии живут шмели — одна из групп крупных диких пчел. Много шмелей, предпочита ющих ландшафты с прохладным климатом, в лесах и на лугах в средних широта х Северного полушария, где они опыляют самые различные цветущие растени я, а также на высокогорных лугах в Альпах, на Кавказе, в горах Средней и Цен тральной Азии. В опылении цветущих растений участвуют и другие хорошо ле тающие насекомые: бабочки, осы, многие жуки и разнообразные мухи. А «разно счиками» семян различных деревьев, кустарников и некоторых трав выступ ают прежде всего высшие позвоночные животные — плодоядные и зерноядны е птицы, а из млекопитающих — копытные и грызуны. Обычно мы представляем себе животный мир в виде кр упных млекопитающих и птиц, змей и рептилий. С тропическими лесами в наше м представлении связаны гориллы и орангутанги, удавы и тигры, райские пт ицы. Вспоминая животных саванн, мы называем слонов и львов, антилоп и зебр , грифов и страусов. Медведи, лоси, глухари — типичные представители наше й тайги. Но не эти животные играют главную роль в жизни природы. В процесса х образования почв, в поедании растительности и переработке ее остатков , наконец, в опылении цветущих растений и распространении инфекций главн ую роль играют беспозвоночные: паукообразные, насекомые, мйогоножки, чер ви и т. д. Это объясняется не столько их исключительным разнообразием, ско лько огромным числом особей. Действительно, крупных животных на 1 км2 леса или степи, саванны или пустыни насчитываются единицы или десятки, в край нем случае сотни, а их суммарный вес редко превышает 1 т. Беспозвоночных же на каждом квадратном километре множество, а их вес может достичь десятк ов тонн. Да к тому же они быстро размножаются и развиваются, перерабатыва я тысячи тонн пищи — растений и других организмов или их остатков. 3 Спи сок используемой литературы 1. Курбатова А.С., Башкин В.Н ., Савин Д.С. Методологические основы оценки критических нагрузок поллют антов на городские экосистемы. НИиПИ ЭГ, 2003 2. Небел Б. Нау ка об окружающей среде. Как устроен мир, тт. 1- 2. М., 1993 3. Ручин А.Б.; Э кология популяций и сообществ; У чебник для ВУЗов Academia; 2006 4. Хабарова Е. И., Панова С.А. Экология в таблицах. Справочное пособие. М., Дрофа, 1999 5. Человек и с реда его обитания. Хрестоматия. Под ред. Г.В.Лисичкина и Н.Н.Чернова. М., Мир, 2003