Шпаргалка по "Экологии"

1. Место экологии в системе естественных наук. Современное понимание экологии как науки об экосистемах и биосфере. Введение термина «Экология» Эрнстом Геккелем для обозначения науки о взаимоотношениях организмов между собой и с окружающей средой. Формирование облика биосферы в процессе жизнедеятельности организмов, взаимодействия биоты и косного вещества: состав воздуха, воды, происхождение почвы.

     Проблемы, связанные  с антропогенным воздействием  на биосферу. Экологический кризис. Связь экологии с социальными  вопросами. Значение экологического  образования и воспитания. Необходимость  формирования правовых и этических  норм отношения человека к  природе.

11.

Приспособления организмов к среде  носят название адаптации. Под адаптациями понимаются любые изменения в структуре и функциях организмов, повышающие их шансы на выживание.

Способность к адаптациям – одно из основных свойств жизни вообще, так как обеспечивает и саму возможность  ее существования, возможность организмов выживать и размножаться. Адаптации  проявляются на разных уровнях: от биохимии клеток и поведения отдельных  организмов до строения и функционирования сообществ и экологических систем.

Адаптации возникают и развиваются  в ходе эволюции видов. Основные механизмы  адаптации на уровне организма:

1) биохимические – проявляются  во внутриклеточных процессах,  как, например, смена работы ферментов  или изменение их количества;

2) физиологические – например, усиление потоотделения при повышении  температуры у ряда видов; 

3) морфо-анатомические – особенности  строения и формы тела, связанные  с образом жизни; 

4) поведенческие – например, поиск  животными благоприятных мест  обитания, создание нор, гнезд  и т. п.;

5) онтогенетические – ускорение  или замедление индивидуального  развития, способствующие выживанию  при изменении условий. 

Экологические факторы среды оказывают  на живые организмы различные  воздействия, т. е. могут влиять как  раздражители, вызывающие приспособительные  изменения физиологических и  биохимических функций; как ограничители, обусловливающие невозможность  существования в данных условиях; как модификаторы, вызывающие морфологические  и анатомические изменения организмов; как сигналы, свидетельствующие  об изменениях других факторов среды.

В различных случаях и по различным  экологическим факторам условия  существования изменяются неодинаково.

Выделяют 4 основных типа изменений  условий существования:

циклические изменения, действующие строго периодически (смена времени суток, сезонов года, приливно-отливные явления и т.п.);

изменения без строгой периодичности, но повторяющиеся время от времени (ураганы, землетрясения и т.п.);

изменения, действующие без строгой периодичности и неопределённо (изменения, связанные с действием антропогенных факторов);

направленные изменения, при которых направление изменений условий существования остаётся неизменным в течение периода, продолжительность которого достаточно велика по сравнению с продолжительностью жизненного цикла данного вида организмов (прогрессирующая эрозия почв, зарастание водоёмов, заболачивание, накопление донных осадков, потепление климата).

Организмы легче всего адаптируются или адаптированы к тем факторам, которые чётко изменяются (строго периодические, направленные). Адаптационность к ним такова, что часто становится наследственно обусловленной. И если фактор меняет периодичность, то организм продолжает её в течение некоторого времени сохранять, т.е. действовать в ритме так называемых «биологических часов». Такое явление, в частности, имеет место при смене часовых поясов.

Некоторые трудности характерны для  адаптаций к нерегулярно-периодическим  факторам, но организмы нередко имеют  механизмы предчувствия их возможности (землетрясения, ураганы, наводнения и  т.п.) и в какой-то мере могут смягчать их отрицательные последствия. Наибольшие трудности для адаптаций представляют факторы, природа которых неопределенна, к ним организм, как правило, не готов, вид не встречался с такими явлениями и в процессе эволюции. Сюда относится группа антропогенных  факторов. В этом их основная специфика  и антиэкологичность. Только в отдельных случаях по отношению к таким факторам организмы могут использовать механизмы так называемых преадаптаций, т.е. те адаптации, которые вырабатывались по отношению к другим факторам.

Наряду с длиной дня организмы  эволюционно адаптировались к другим видам периодических явлений  в природе. Прежде всего, это относится  к суточной и сезонной ритмике, приливно-отливным явлениям, ритмам, обусловливаемым  солнечной активностью, лунными  фазами и другими явлениями, повторяющимися со строгой периодичностью. Человек  может нарушать эту ритмику через  изменение среды, перемещением организмов в новые условия и другими  действиями.

Ритмичность действия факторов среды, подверженная строгой периодичности, стала физиологически и наследственно  обусловленной для многих организмов. Например, к суточной ритмике адаптирована активность многих животных организмов (интенсивность дыхания, частота  сердцебиений, деятельность желез внутренней секреции и т.п.). Одни организмы очень  стойко сохраняют эту ритмику, другие более пластичны.

Например, отмечается, что чёрные крысы  более стойки к суточной (или околосуточной) ритмике и поэтому меньше склонны  к расселению, держатся определённых местообитаний; серые крысы более  мобильны по ритмике, легче осваивают  новые условия и поэтому являются практически космополитами. Индивидуальны  реакции отдельных людей на изменение  суточной ритмики. Например, одни лица относительно легко переносят смену  часовых поясов и требуют для  адаптаций в новых условиях непродолжительного времени. Другие переносят такие  смены болезненно и приспосабливаются к ним в течение более длительных периодов.

Поразительна адаптированность некоторых организмов к подобным природным ритмам. Например, приливно-отливные ритмы связаны с солнечными сутками (24 часа), лунными сутками (24 часа 50 минут). Кроме этого, в течение последних имеют место два прилива и два отлива, которые ежедневно смещаются на 50 минут. Сила приливов изменяется также в течение лунного месяца, равного 29,5 солнечным суткам, а приливы дважды в месяц (при новолунии и полнолунии) достигают максимальной величины. Некоторые организмы, обитающие в приливно-отливной зоне (литораль), адаптируются ко всем изменениям в поведении водной среды.

Многие из ритмов становятся наследственно  обусловленными. Например, при перемещении  некоторых животных в северные районы они (животные) продолжают сохранять  свою ритмику. В таких случаях  нарушается правило приуроченности наиболее ответственных периодов в  жизни (размножения) к более благоприятному времени. Так, австралийские страусы  в условиях Аскании Нова (Украина) могут откладывать яйца на снег.

21.     Определение понятий «биологический вид» и «популяция». Иерархическая структура популяций; расселение организмов и межпопуляционные связи. Популяция как элемент экосистемы.

Статистические характеристики популяции: численность, плотность, возрастной и  половой состав. Биомасса и способы  её выражения: сырой и сухой вес,  энергетический эквивалент. Методы оценки численности и плотности популяции. Характер пространственного размещения особей и его выявление. Случайное и агрегированное распределение. Механизмы поддержания пространственной структуры. Территориальность, скопления животных и растений, причины их возникновения.

     Динамические характеристики  популяции: рождаемость, смертность, скорость популяционного роста.  Таблицы и кривые выживания.  Характер распределения смертности по возрастам в разных группах животных и растений. Специфическая скорость роста популяции, «плотность насыщения» как показатель ёмкости среды. Динамика биомассы.  Понятие о биопродуктивности. Популяцию определяют как группу организмов одного вида, занимающую конкретное пространство (ареал) и функционирующую как часть биотического сообщества.

Популяция представляет собой форму  существования вида, обеспечивающую приспособленность его к конкретным условиям среды обитания, включая  взаимоотношения с другими видами.

Численность популяции - число особей на единицу площади или объёма - никогда не бывает произвольной и  постоянной в течение длительного  времени, и изменяется в пределах определенного диапазона, согласно правилу Ю.Одума.

Численность популяции может меняться во времени различным образом: расти, совершать колебания, падать, и причины  этого могут быть различны. Существуют определённые верхние и нижние пределы  численности популяции, которые  соблюдаются в природе в условиях стабильности среды обитания.

Экологи различают несколько моделей  роста популяций (т.е. закономерностей  изменения численности популяции  при ее росте «от нуля»), главные  из них - экспоненциальная и логистическая.

Прирост популяции пропорционален ее численности, и поэтому, если рост популяции не ограничивают никакие  внешние факторы, популяция растет ускоренно. Прирост популяции пропорционален численности особей в ней, то есть

 

ΔN~N,

 

где N - численность популяции, ΔN - ее изменение за определенный период времени. Если этот период бесконечно мал, можно написать, что

 

dN / dt = r × N,

 

где dN / dt - изменение численности популяции (прирост), r - репродуктивный потенциал, переменная, характеризующая способность популяции увеличивать свою численность. Приведенное уравнение называется экспоненциальной моделью роста численности популяции (рис.1), и описывается J-образной кривой, в условиях постоянного поступления ресурсов скорость роста популяции увеличивается и кривая взмывает вверх.

 

Рисунок 1 - Экспоненциальный рост

 

Величину r называют иногда мальтузианским параметром. О тенденции быстрого неограниченного увеличения числа особей вида в соответствии с его биотическим потенциалом знал уже К. Линней. Однако представления об экспоненциальном росте популяций в начале прошлого столетия сформулировал Т.Мальтус: число особей в популяции увеличивается в геометрической прогрессии. Именно знакомство с его работой подтолкнуло и Ч.Дарвина и А.Уоллеса к догадке о том, что потомство любых организмов должно «прореживаться» естественным отбором. Представления о способности любой популяции к экспоненциальному росту является краеугольным камнем популяционной экологии. Способность популяций к экспоненциальному росту считается главным законом экологии, близким по значению к закону Ньютона в физике (П.В.Турчин).

Как легко понять, с ростом времени  численность популяции растет все  быстрее, и достаточно скоро устремляется к бесконечности. Естественно, никакое  местообитание не выдержит существования  популяции с бесконечной численностью. Тем не менее, существует целый ряд  процессов популяционного роста, который  в определенном временном промежутке может быть описан с помощью экспоненциальной модели. Речь идет о случаях нелимитированного роста, когда какая-то популяция заселяет среду с избытком свободного ресурса, например в 1536 г. испанский аделантадо Педро де Мендоза, закладывая город Буэнос-Айрес, привез в аргентинские пампы 20 коров и 72 лошади. Спустя три года поселение было сожжено дотла индейцами, и испанцы его покинули. Лошади и коровы оказались предоставлены сами себе. Они размножились в пампах, и к 1700 г. численность популяции коров и популяции лошадей достигли миллиона голов каждая.

Естественно, экспоненциальный рост популяции не может быть вечным. Рано или поздно ресурс исчерпается, и рост популяции затормозится. Каким  будет торможение? Практическая экология знает самые разные варианты: и  резкий взлет численности с последующим  вымиранием популяции, исчерпавшей  свои ресурсы, и постепенное торможение прироста по мере приближения к определенному  уровню. Простейшая описывающая такую  динамику модель называется логистической. В логистической модели вводится переменная K - емкость среды, равновесная численность популяции, при которой она потребляет все имеющиеся ресурсы. Прирост в логистической модели описывается уравнением (рис.2):

 

dN / dt = r × N × (K - N) / K

 

Пока N невелико, на прирост популяции основное влияние оказывает сомножитель rN и рост популяции ускоряется. Когда становится достаточно высоким, на численность популяции начинает оказывать основное влияние сомножитель (K-N) / K и рост популяции начинает замедляться. Когда N=K, (K-N)/K=0 и рост численности популяции прекращается.

 

Рисунок 2 - Логистический рост

 

При всей своей простоте логистическое  уравнение удовлетворительно описывает  много наблюдаемых в природе  случаев и до сих пор с успехом  используется в математической экологии. П.В. Турчин считает эту модель отражением закона «самоограничения роста любой популяции». Причины замедления роста популяции могут быть самыми различными: выедание ресурсов, влияние эффекта скученности (у грызунов при этом снижается интенсивность репродуктивного процесса), отравление местообитания прижизненными выделениями, выедание популяции хищниками, болезни и т.д. Тем не менее, и эта кривая является идеализацией, так как крайне редко проявляется в природе. Очень часто после того, как рост популяции выйдет на плато (достигнет предела, соответствующего количеству ресурсов), происходит внезапное уменьшение ее численности, а потом популяция вновь быстро растет. Таким образом, ее динамика оказывается состоящей из повторяющихся логистических циклов.