Исследовательское задание "ЭКОЛОГИЯ" по биологии

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

школа № … г. Уфа

Исследовательское задание

на тему «Экология»

Выполнил: …..

Руководитель: …..

учитель биологии

Уфа – 2017

Содержание

1. Организм и среда

1.Абиотические факторы

2.Биотические факторы

3.Факторы защиты организма (иммунитет)

4.Пространство, местообитания, биомы, сообщства

5.Популяции

6.Среда обитания, ареалы и экологические ниши

1. БИОСФЕРА И ЧЕЛОВЕК

1.Подразделения биосферы

2.Экологические системы

3.Круговорот веществ

4.Устойчивость экосистем. Сукцессии

5.Антропогенные воздействия и направления этих воздействий

6.Охрана природы и среды обитания

Список использованных источников

Организм и среда

Важнейшая задача ЭКОЛОГИИ — выяснение общих закономерностей, присущих организму и среде, в которой он обитает.

Пространство, в котором живут организмы, и всё то, что их окружает в этом пространстве — окружающая среда. В этой среде присутствуют факторы, которые определяют её содержание, делают её специфичной для организмов каждого вида, т.е. каждый вид имеет свою среду. Для человека пространство, в котором он живёт, является средой обитания. Территория, на которой располагается город, деревня или другой какой-либо населенный пункт, в котором живёт человек, есть его среда обитания.

Различают абиотические, биотические и антропогенные (в составе биотических) факторы среды. Под абиотическими (греч. а — не, bios — жизнь) факторами понимают факторы неживой природы. Характер этих факторов определяется их физической и химической природой. Биотическими (греч. bios — жизнь) факторами являются живые организмы растительной и животной природы, обитающие в среде. Эти организмы составляют совокупность биотических факторов. Для абиотических и биотических факторов (растения, животные) характерны многообразие и безграничные связи, а также их взаимодействие в процессе жизни. Антропогенные (греч. anthropos — человек, genos — рождение) факторы — это факторы, возникающие в результате деятельности человека в среде.

1. Абиотические факторы

Абиотическое содержание среды определяется климатическими, почвенными и водными условиями. Поэтому в соответствии с одной из популярных классификаций абиотические факторы среды классифицируют на физические (температура, свет, влажность, барометрическое давление), химические (состав атмосферы, органические и минеральные вещества почвы, рН почвы и др.) и механические факторы (рельеф местности, движения почвы и воды, ветер, оползни и др.). Значение этих факторов состоит в том, что они существеннейшим образом определяют распространение видов, т. е. они определяют ареал видов, под которым понимают географическую зону, являющуюся местом обитания (распространения) организмов того или иного вида.

Для живых организмов характерен диапазон переносимости действия абиотических факторов, причем это определяется их нормой реакции. Одни организмы способны переносить колебания факторов среды в очень широких пределах. Они получили название эврибиотных организмов (от греч. eurys — широкий). Другие выдерживают влияние абиотических факторов в очень узких пределах. Их называют стенобионтными организмами (от греч. stenos - узкий). Эврибионтные и стенобионтные организмы встречаются как среди растений, так, и среди животных.

Физические факторы составляют значительную часть абиотических факторов. Особое значение принадлежит температуре, поскольку она является важнейшим фактором, ограничивающим жизнь. Различают термические пояса — тропический, субтропический, умеренный и холодный, к которым приурочена жизнь организмов в тех или иных температурных условиях. Верхний и нижний уровни температурного диапазона легальны для организмов. Температуру, которая благоприятна для жизни организмов, называют оптимальной. Большинство организмов способно к жизни в диапазоне от 0°-50°С.

На основе способности организмов существовать в условиях разных. температур их классифицируют на эвритермные организмы, которые способны существовать в условиях значительных колебаний температур, и стенотермные организмы, которые могут существовать лишь в узком диапазоне температур (рис. 202). Эвритермными являются организмы, обитающие в основном в условиях континентального климата. Примером их являются животные многих видов, обитающие в пресных водоемах и способные выдерживать как промерзание воды, так и ее нагревание до 40-45 С. Эвритермные организмы выдерживают самые жесткие температурные условия. Например, личинки многих двукрылых могут жить в воде при температуре 50°С. В горячих источниках (гейзерах) при 85 С и более обитают многие виды бактерий, водорослей, гельминтов. С другой стороны, арктические виды бактерий и водорослей обитают в очень холодной морской воде. Для многих эвритермных организмов характерна способность впадать в состояние оцепенения, если действие температурного фактора «ужесточается». В этом состоянии резко снижается уровень обмена веществ. Примерами оцепенения являются оцепенение насекомых или рыб при значительном падении температуры. У млекопитающих (медведи, барсуки и др.) оцепенение проявляется в виде зимней спячки, когда резко снижается обмен веществ, но температура тела при этом падает незначительно.

От оцепенения следует отличать анабиоз (от греч. ana — вновь, bios — жизнь, anabiosis — оживление), который представляет собой явление, заключающееся в том, что у организмов под влиянием разных причин может резко снижаться уровень обмена веществ, вплоть до отсутствия видимых признаков жизни. Например, у растений высушенные семена сохраняют всхожесть в течение многих лет. Инцистирование инфузорий позволяет сохраняться им живыми до 6 лет, а яйца Diaptomus sanguires сохраняются свыше 300 лет.

Стенотермные организмы встречаются как среди животных, так и растений. Например, многие морские животные способны выдерживать повышение температуры лишь до 30°С. Некоторые кораллы выживают при температуре воды не более 21°С.

Многие виды животных способны или неспособны к собственной терморегуляции, т.е. поддерживать постоянную температуру. По этому признаку их делят на пойкилотермных (от греч. poikiloi — различный, переменный и therme — жар) и гомойотермных (от греч. homoios — равный и therme — жар). Первым присуща непостоянная температура, тогда как вторым — постоянная. Гомойотермными являются млекопитающие и некоторые виды птиц. Они способны к терморегуляции, которая обеспечивается физическими и химическими путями. Физическая терморегуляция осуществляется за счет накапливания подкожного жирового слоя, ведущего к сохранению тепла, или за счет учащенного дыхания. Химический путь терморегуляции заключается в потоотделении. Пойкилотермными являются все организмы, кроме млекопитающих и нескольких видов птиц. Температура их тела приближается к температуре среды. Лишь некоторые виды этих животных способны к изменению температуры своего тела, притом в определенных условиях. Например, этой способностью обладают тунцы. Важным для пойкилотермных организмов является то, что повышение температуры их тела происходит, когда увеличивается их активность, их обмен веществ.

В ходе эволюция гомойотермные животные развили способность защищаться от холода (миграции, спячка, мех и т.д.).

Свет является важнейшим абиотическим фактором, особенно для фотосинтезирующих растений (фототрофов). Уровень фотосинтеза зависит от интенсивности солнечной радиации, качественного состава света, распределения света во времени. Однако для других организмов его значение по сравнению с температурой является меньшим, поскольку известны многие виды бактерий и грибов, которые могут длительно размножаться в условиях полной темноты. Различают светолюбивые, теплолюбивые и тепловыносливые растения. Для многих животных зоопланктона свет является сигналом к вертикальной миграции, в результате чего днем они остаются на глубинах, тогда как ночью поднимаются в теплые, богатые кормом верхние слои воды. Для животных, обладающих зрением, наиболее успешно добывание пищи в светлое время.

У животных многих видов длительность светового дня оказывает влияние на их половую функцию, стимулируя ее в период увеличения светового дня (фотопериода) и угнетая ее при уменьшении светового дня (осенью или зимой). У птиц фотопериод влияет на яйцеклетки (рис. 203). Укорочение светового дня служит сигналом к миграции.

Результатом изменения светового режима (длительности светового дня) является фотопериодизм (от греч. photos — свет, periodos — круговращение), под которым понимают годовые циклы развития у многих видов растений и животных. Например, пшеница, овес, ячмень и другие культуры зацветают при длинном световом дне на севере, тогда как кукуруза, хлопчатник — при коротком световом дне на юге.

Влажность — это комплексный фактор и представлен количеством водяных паров в атмосфере и воды в почве. Влажность измеряют путем определения относительной влажности воздуха в виде процентного отношения давления водяного пара к давлению насыщенного пара при одинаковой температуре. Важность влажности для жизни организмов определяется тем, что потеря ее клетками ведет к их гибели

.

Обычно растения поглощают воду из почвы. Что касается животных, то потребность в воде они реализуют путем ее питья, либо всасыванием через покровы тела, либо с пищей, либо путем окисления жиров.

В зависимости от влажности происходит распределение видов. Например, земноводные, дождевые черви и некоторые моллюски способны жить только в очень влажных местах. Напротив, многие животные предпочитают сухость.

Влажность почвы зависит от количества осадков, глубины залегания почвенных вод и других условий. Она важна для растворения в воде минеральных веществ.

Большое значение в качестве абиотического фактора имеет комбинированное воздействие на организмы температуры и влажности (рис. 204).

Химические факторы, по своему значению не уступают физическим факторам. Например, большую роль играет газовый состав атмосферы и водной среды. Большинство организмов нуждается в кислороде, а некоторые организмы — в азоте, метане или сероводороде.

Газовый состав чрезвычайно важен для организмов, обитающих в водной среде. Например, в воде Черного моря очень много сероводорода, что делает этот бассейн не очень благоприятным для жизни в нем многих организмов. Что касается наземных организмов, то они малочувствительны к газовому составу атмосферы, поскольку он постоянен.

Соленость очень важна также в водной среде. Например, из числа водных животных наибольшее число видов обитает в соленых водах (морских и океанических), меньшее — в пресной воде и еще меньшее — в солоноватой воде. Способность поддерживать солевой состав внутренней среды влияет на распространение водных животных.

Существенную роль для жизни организмов, особенно растений, играет значение рН. Одни растения способны жить в кислой среде, другие — в щелочной, причем изменения в концентрации водородных ионов очень губительны для них. В среде, рН которой составляет 0, жизни почти нет. При таком рН растут лишь отдельные виды микроскопических грибов и водорослей.

Механические факторы характеризуются тем, что их действие сопровождается образованием свободных от жизни участков, которые затем заселяются, но содержание новых «поселенцев» будет отличаться от исходного вплоть до формирования новых сообществ живых существ.

Образование свободных от жизни участков происходит в результате стихийных бедствий (пожаров, наводнений и др.), различных геологических процессов, действий человека в природе и т.д. Примером механических факторов является обмеление Аральского моря. Вслед за этим на освобожденных от воды территориях появились новые виды животных и растений.

Характерная особенность видов в контексте их отношений к абиотическим факторам заключается в том, что каждый вид обладает определенным диапазоном толерантности (устойчивости) к тому или иному фактору, причем толерантность определяется нормой реакции, т.е. детерминируется генетически. В том случае, если действие абиотического фактора происходит за пределами диапазона толерантности, организм погибает. Оптимальными условиями для жизни вида является средняя часть диапазона его толерантности к тому или иному фактору. В этой части диапазона происходит также размножение организмов вида. Крайние границы диапазона толерантности неблагоприятны для жизни вида.

С другой стороны, характерной особенностью любого абиотического фактора является то, что он может ограничивать не только жизнь, но в той или иной степени и численность вида, действуя при этом в качестве регулирующего фактора. Регулирующее влияние абиотических факторов особенно возрастает на фоне взаимодействия организмов между собой (губительное воздействие на популяции анабиоза, хищничества, паразитизма), которое само по себе является регулирующим.

Следующей характерной особенностью абиотических факторов является их ограничивающая способность, которая заключается в том, что при оптимальном действии всех возможных абиотических факторов на организмы недостаток одного из факторов все же окажет ограничительное воздействие на популяцию. Например, внесение удобрений в почву при отсутствии какого-либо микроэлемента не приводит к ожидаемому улучшению (значительному повышению урожая культуры). Следовательно, данный микроэлемент является ограничивающим (лимитирующим) фактором. Понимание природы ограничивающих факторов имеет важное практическое значение для сельского хозяйства.

Абиотические факторы находятся в постоянном взаимодействии между собой, причем чувствительность организмов к зависимости одного фактора от другого также определяется нормой реакции, т. е. контролируется генетически. Например, губительный результат повышения температуры в наибольшей мере проявляется в случае повышения влажности среды. Другими словами, при «ужесточении» действия на организмы одного абиогенного фактора сужается диапазон устойчивости их к другому абиотическому фактору.

В ходе исторического развития организмы в ответ на смену дня и ночи, на смену времен года, т.е. в ответ на основные ритмы Земли, обусловленные ее вращением вокруг Солнца, выработали в процессе адаптогенеза способность к ритмической жизнедеятельности, что получило название биоритмоа. Характерная особенность биоритмов заключается в том, что они осуществляются синхронно с процессами, протекающими в среде периодически. Различают суточные ритмы (24-часовые) и околосуточные, которые протекают во время от 20 до 28 часов и которые называют циркадными (от лат. cirka — вокруг, около, dies — день).

В случае человека суточные и циркадные ритмы затрагивают многие свойства и физиологические процессы (температура тела, артериальное давление, митотическая активность клеток, биоэлектрическая активность мозга, количество тромбоцитов в периферической крови и т.д.). Предполагают, что эти ритмы генетически контролируются, т.к. у нейроспоры и дрозофилы установлены так называемые «часовые» гены, которые детерминируют циркадные ритмы этих организмов. Установлено также, что циркадный ритм присущ синтезу мРНК на «часовых» генах и что существуют «часовые» белки, способные ингибировать экспрессию «часовых» генов.

Наука, изучающая биоритмы, носит название хронобиология (от греч. chronos — время, logos — наука). Знание закономерностей биоритмов имеет большое значение в сельском хозяйстве и в профилактической медицине.

2. Биотические факторы

Все организмы, независимо от их видовой принадлежности, не только испытывают влияние среды, но и сами прямым образом или косвенно влияют на нее. Поэтому среди биотических факторов различают фитогенные, зоогенные и антропогенные факторы.

Фитогенное воздействие на среду чрезвычайно многообразно. Назовем лишь некоторые примеры и, прежде всего, фотосинтез, который определяет газовый состав среды. В результате фотосинтеза зеленые растения выделяют в атмосферу кислород. Они же и поглощают углекислый газ. Наземные растения оказывают влияние на среду также путем изменения структуры и состава почвы. Далее, азотфиксирующие бактерии, извлекая азот атмосферы, также влияют на ее газовый состав.

Зоогенные воздействия на среду также многообразны. Например, потребляя для дыхания кислород, животные также изменяют газовый состав атмосферы. Животные, обитающие в почве, оказывают значительное влияние на ее механический состав.

Антропогенные воздействия рассмотрим дальше.

Все организмы находятся между собой в самых различных отношениях, которые, в частности, проявляются в форме симбиоза (мутуализма, комменсализма, хищничества, паразитизма), конкуренции и антагонизма.

Симбиоз (от греч. symbiosis — сожительство) — это очень распространенная форма во взаимоотношениях организмов, принадлежащих к разным видам. В рамках симбиоза различают мутуализм, комменсализм, хищничество и паразитизм.

Мутуализм — это взаимодействие между двумя организмами разных видов, которое выгодно для каждого из них. Например, азотфиксирующие клубеньковые бактерии обитают на корнях бобовых растений, конвертируя атмосферный азот в форму, доступную для усвоения этими растениями. Следовательно, бактерии обеспечивают растения азотом. В свою очередь растения обеспечивают клубеньковые бактерии всеми необходимыми питательными веществами. Мутуализмом можно считать также взаимодействие между микроорганизмами, обитающими в толстом отделе кишечника человека, и самим человеком. Для микроорганизмов выгода определяется тем, что они обеспечивают свои питательные потребности за счет содержимого кишечника, а для человека выгода состоит в том, что микроорганизмы осуществляют дополнительное переваривание пищи и еще синтезируют крайне необходимый для него витамин К. В мире цветковых растений мутуализмом является опыление насекомыми растений и питание насекомых нектаром растений. Мутуализм значим и в «переработке» органических веществ. Например, переваривание целлюлозы в желудке (рубце) крупного рогатого скота обеспечивается содержащимися в нем бактериями.

Комменсализм — это межвидовое взаимодействие между организмами, при котором один организм получает выгоду за счет другого, не повреждая его, тогда как другой организм от этого взаимодействия не имеет ни выгоды, ни ущерба. Например, некоторые виды морских полипов поселяются на поверхности тела крупных рыб, питаясь их выделениями, но для рыб данное сожительство является индифферентным, т. е. не имеет никакого значения.

Хищничество — это особый способ жизни, при котором один организм (хищник) живет за счет другого (жертвы), убивая его. Хищничество наблюдается уже у простейших. Например, известна инфузория дидиний (Didinium nasutum), которая является хищником для других простейших, в частности, парамеций. Плавая в воде, дидиний парализует парамецию, прикрепляется к ней, а затем заглатывает. Процесс переваривания одиночной парамеции составляет 2 часа (рис. 205).

Примеры хищничества высших животных в природе многочисленны. Убивая и поедая жертвы, хищники приносят вред популяциям организмов-жертв. Но хищничество иногда оказывается и полезным. Например, волки, поедая ослабленных (больных) лосей, способствуют оздоровлению лосиных популяций.

Уменьшение численности хищников может привести к резкому возрастанию численности жертв. Иногда имеет место синхронный рост численности и хищников и жертв. Например, в северных широтах эта синхронность отмечается каждые несколько лет между численностями леммингов, мышей, с одной стороны, и питающихся ими песцов, лис и полярных сов, с другой.

Паразитизм — это форма взаимоотношений организмов, при которой один (паразит) живет за счет другого (хозяина). Как правило, хозяину присущи большие размеры тела, чем паразиту. В отличие от хищников паразиты не должны убивать хозяев, иначе тем самым они убьют и себя. Поэтому паразиты вызывают болезнь хозяина, но смерть хозяина от этой болезни бывает лишь в очень редких случаях.

Паразитизм очень широко распространен в природе, но его следует отличать от сапробиоза, при котором организм питается мертвым материалом другого организма, хотя некоторые сапро-бионты иногда могут стать паразитами. С эволюционной точки зрения наиболее результативными являются те паразиты, которые вызывают незначительные повреждения хозяина

В процессе эволюции паразитизма паразиты приобрели исключительную специализацию. Они потеряли, прежде всего, те органы, которые в условиях паразитизма перестали быть ценными для их существования. Напротив, у них развились новые органы, которые обеспечивают их способность существовать за счет хозяев, прикрепляясь к его клеткам, обитая в его полостях и жидкостях.

Среди морфологических и биологически специализированных модификаций паразитов наибольшую важность представляет способность к физиологической адаптации в организме хозяина и наличие сложных жизненных циклов, которые обеспечивают распространение их среди новых хозяев. Физиологическая адаптация к хозяину характеризуется хозяйской специфичностью, т.е. паразит может существовать лишь в хозяевах, принадлежащих к определенным видам. Иногда диапазон хозяйской специфичности является очень широким, в результате чего паразит может паразитировать на организмах многих видов, причем родственные виды хозяев иногда имеют и родственных паразитов. Однако часто хозяйская специфичность настолько узка, что паразит может использовать в качестве хозяина лишь организмы одного единственного вида.

Предполагают, что эволюция видов паразитов и их хозяев шла синхронно (правило Фаренгольца). Хозяева оказывают влияние на эволюции паразитов, но и паразиты влияют на эволюцию хозяев. Например, резистентность к малярии, вызываемой в Западной Африке Р. falciparum, связана с тем, что этот паразит является причиной появления новых аллелей в комплексе гистонесовместимости аборигенов.

Хозяев паразитов классифицируют на дефинитивных и промежуточных.

Организм-хозяин, в котором паразит приобретает половую зрелость, является дефинитивным (постоянным) хозяином, а организм-хозяин, в котором паразит проходит лишь некоторые стадии своего развития, служит промежуточным хозяином. Чтобы облегчить собственный перенос от одного хозяина к другому, паразиты часто используют промежуточных хозяев. Иногда завершение жизненного цикла паразита связано с последовательной сменой нескольких промежуточных хозяев.

Распространение паразитов определяется, прежде всего, географическим распространением их хозяев и переносчиков, а также климатическими условиями, в которых обитают их хозяева. Поскольку многие паразиты могут переходить от хозяина к хозяину, то онтогенез паразитов связан с модификацией их репродуктивной системы в направлении повышения ее мощности. В результате этого у паразитов развилась способность продуцировать потомство в огромных количествах. Повышение количества потомства часто связано с бесполым размножением, гермафродитизмом.

Паразитов классифицируют на временных (комары, мухи-жигалки, блохи и др.) и постоянных (простейшие, гельминты и др.), на эндопаразитов (простейшие, гельминты) и эктопаразитов (вши, блохи и др.). Паразитизм имеет важное значение в сельском хозяйстве и медицине, так как многие паразиты являются возбудителями болезней животных и человека.

Конкуренция — это взаимоотношение между организмами при использовании одинаковых жизненных ресурсов (пищи, света, территории и т. д.), которых, однако, недостаточно в определенных средах при значительном росте популяций. Поэтому она ведет к снижению плодовитости, повышению смертности и к другим неблагоприятным последствиям. Конкуренция бывает как внутривидовой, так и межвидовой и сопровождается она борьбой за существование. Внутривидовая конкуренция является более ожесточенной, поскольку организмы нуждаются в одних и тех же ресурсах. Голод иногда у отдельных видов ведет к каннибализму. Конкуренция и борьба за существование играют большую роль в ограничении численности популяции. Их следствием является естественный отбор.

Антагонизм — это форма взаимоотношений, когда один вид в процессе жизни угнетает другой. Например, известны виды растений, которые выделяют биологически активные вещества (фитонциды), угнетающие развитие растений других видов. Формой антагонизма является антибиоз, который имеет место в случае бактерий и микроскопических грибов, когда организмы одного вида подавляют рост организмов другого вида или сразу нескольких видов. Эта подавляющая способность зависит от продукции организмами антибиотических видов веществ, получивших название антибиотиков. Наиболее известными антибиотиками являются ампициллин, стрептомицин, тетрациклин, хлорамфеникол и др.

3. Факторы защиты организма (иммунитет)

В ходе эволюции в процессе взаимодействия между собой животные организмы выработали многие факторы собственной защиты от проникновения в них вирусов, бактерий, простейших и других патогенных факторов, которые действуют либо механически, либо вырабатывают токсины, оказывающие неблагоприятное влияние на клетки и ткани хозяина.

Факторами естественной защиты человека являются кожа, поверхностные структуры (слизистые оболочки) дыхательного тракта, соляная кислота в желудке, лизопим, интерферон, белые форменные элементы крови и антитела. Защитная функция кожи, слизистых оболочек дыхательного тракта, соляной кислоты, лизоцима, пропердина и интерферона заключается в том, что они препятствуют проникновению патогенов в организм, действуя бактерицидно. Однако если патогены все же проникают в организм, тогда вступает в действие и иммунная система посредством механизмов иммунитета в виде фагоцитарной и гуморальной защиты.

Иммунитет (от лат. immunitas — освобождение от чего-либо) — это невосприимчивость организма к болезнетворным агентам, продуктам их жизнедеятельности и к генетически чужеродным веществам, обладающим антигенными свойствами. Можно сказать, что иммунитет представляет собой способность организма отличать чужеродный материал от своего, например, чужеродный белок от своего и нейтрализовать этот материал. В отличие от наследственности, которая охраняет организмы от резких изменений на протяжении поколений, иммунитет осуществляет охрану на протяжении индивидуальной жизни организма (онтогенеза).

Охранительная роль иммунитета распространяется не только на вирусы, простейшие, грибы, гельминты, но и на чужеродные трансплантанты тканей и органов. Она распространяется также на аутоиммунные процессы, возникающие в организме. Например, в механизме возникновения сахарного диабета у человека имеют значение аутоиммунные процессы против белков, содержащихся в клетках островков Лангерганса панкреатической железы.

Различают иммунитет инфекционный и неинфекционный.

Инфекционный иммунитет классифицируют на противовирусный, антимикробный (антибактериальный) и антитоксический. В случае противовирусного иммунитета (при гриппе, полиомиелите человека и других вирусных инфекциях) происходит разрушение вирусных частиц, при антимикробном иммунитете (при дизентерии человека, бруцеллезе человека и животных) происходит обезвреживание бактериального возбудителя, тогда как при антитоксическом (при столбняке, ботулизме человека и животных и др.) имеет место разрушение токсина, продуцируемого микробами в организме. В рамках инфекционного иммунитета различают также врожденный и приобретенный иммунитет. Врожденный иммунитет — это естественный иммунитет, возникший в ходе исторического развития организмов и передающийся по наследству. Например, куры не восприимчивы к возбудителю сибирской язвы, причем эта невосприимчивость передается по наследству от одного поколения к другому. Приобретенный иммунитет приобретается организмом в ходе его жизни. Такой иммунитет классифицируют на активный и пассивный иммунитет. Активный иммунитет возникает после перенесения организмами болезни или после их вакцинации, тогда как пассивный — после введения в организм готовых антител (сыворотки, содержащей антитела).

Неинфекционный иммунитет является результатом исторически сложившейся генетической несовместимости. Например, неинфекционным иммунитетом является несовместимость донора и реципиента по группам крови, проявляющаяся в виде тяжелых осложнений при переливании несовместимой крови. Неинфекционным иммунитетом является также трансплантационный иммунитет, развивающийся при пересадке сердца и других органов у человека. Трансплантационный иммунитет возникает, когда ткани донора и реципиента неидентичны. Этот иммунитет проявляется в виде разрушения (отторжения) пересаженной ткани или органа уже через 8-23 дня после пересадки.

Различают клеточный, гуморальный и тканевой иммунитет.

Клеточный иммунитет заключается в фагоцитозе, т.е. в захватывании и переваривании фагоцитами (специализированными клетками) бактерий, проникших в организм (рис. 206). Фагоцитами являются клетки белой крови, называемые микрофагами (эозинофилы, нейтрофилы и базофилы) и макрофаги (подвижные клетки крови — моноциты, клетки лимфатических узлов и селезенки, эндотелий кровеносных сосудов).

Гуморальный иммунитет — это иммунитет, связанный с выработкой антител и обусловленный взаимодействием антигенов и антител. Антигены — это чужеродные для организма вещества. Ими являются белки, липопротеиды, белки в соединении с полисахаридами, нуклеиновые кислоты. Антигенами являются также ферменты, токсины, яды змей и пауков, вирусы, бактерии, простейшие. Характерными свойствами антигенов являются их чужеродность и специфичность (видовая, групповая, органная и тканевая), а также то, что они вызывают иммунный ответ в виде образования антител. Можно сказать, что антигены выполняют роль генераторов антител. Известны также аутоантигены, образующиеся в самом организме в результате повреждения тканей. Например, аутоантигены, связанные с множественным склерозом человека, присутствуют в миелиновой оболочке, окружающей нервные волокна центральной нервной системы, представляя собой белок р-кристаллин.

Антитела — это белки, в частности, иммуноглобулин, содержащийся в сыворотке крови. Известно около десяти групп разных антител, среди которых у человека наиболее часто встречаемыми являются антитела групп IgG, IgM, IgD, IgE и IgA. Иммуноглобулины (антитела) каждой из этих групп состоят из полипептидных цепей разной молекулярной массы. Например, антитела IgG состоят из четырех полипептидных цепей, две из которых имеют молекулярную массу 22 500, а две другие — 50 000. В соответствии со способом действия антител на антигены различают нейтрализующие, лизирующие, коагулирующие и способствующие фагоциту антитела. Помимо антител, циркулирующих в плазме крови, существуют клеточные антитела, связанные с поверхностью клетки.

В ходе эволюции выработался комплекс между способностью животных отвечать немедленно на какой-либо один из миллионов антигенов и «мощностью» иммунитета. Молодые млекопитающие животные способны распознавать и отвечать на внедрение в организм многих антигенов, но эта их способность является небольшой. Способность животных отвечать на антиген быстрее и мощнее возникает лишь со временем. Однако иммунная система может быть мобилизована до того, как чужеродный фактор попал в организм. Эту особенность используют в иммунизации человека и животных вакцинами, содержащими антигены возбудителей тех или иных инфекций с целью профилактики против этих инфекций. Иногда для увеличения продукции специфических антител используют двух- трехкратную вакцинацию в интервалы через несколько недель.

Появление антител отражает одну сторону иммунного ответа, тогда как другая сторона связана с включением в «работу» лимфоцитов, поскольку морфологическим субстратом антител являются лимфоидные клетки лимфоузлов, селезенки, костного мозга, миндалин, тимуса, а за развитие иммунного процесса и за его специфичность ответственны лимфоциты, плазматические клетки и моноциты (макрофаги) и поскольку центральная роль в иммунном ответе принадлежит лимфоцитам. Они развиваются из так называемых плюропотентных стволовых клеток, которые являются родоначальниками всех клеток крови (эритроцитов, лейкоцитов и тромбоцитов).

Различают долгоживущие тимусзависимые Т-лимфоциты и ко-роткоживущие В-лимфоциты (рис. 207). Т-лимфоциты развиваются в тимусе, тогда как В-лимфоциты — в костном мозге взрослых или в печени плодов. В тимусе Т-клетки развиваются из клеток-предшественников, поступающих в тимус из кроветворных органов. В-клетки у млекопитающих возникают непосредственно из стволовых клеток в кроветворных органах, а у птиц — в фабрициевой бурсе (сумке) из клеток-предшественников, поступающих в бурсу с кровью из кроветворных тканей. Кроветворные ткани, тимус и фабрициеву бурсу называют первичными лимфоидными органами.

После дифференцировки в первичном лимфоидном органе часть лимфоцитов с током крови переносится во вторичные лимфоидные органы (лимфатические узлы, селезенка, аппендикс, миндалины, аденоиды и пейеровы бляшки тонкого кишечника). Именно здесь Т-клетки и В-клетки реагируют с антигенами. Т-лимфоциты первоначально распознают чужеродный антиген, а затем становятся хранителями иммунологической памяти и переносчиками этой информации антителообразующими клетками. В-лимфоциты образуются в огромном количестве (ежедневно по нескольку миллионов). Они активируются Т-клетками и дифференцируются или трансформируются в плазматические клетки, непосредственно образующие антитела (растворимые Иммуноглобулины) против распознанных антигенов.

Лимфоциты — это иммунокомпетентные клетки. Они способны переносить в другой организм свойства иммунного организма — противотканевый иммунитет, иммунологическую память, аллергическую активность. Лимфоциты Т и В осуществляют иммунологический надзор и память в отношении чужеродного антигена. Реализация гуморального иммунного ответа связана с В-лимфоцитами, которые становятся продуцентами антител, а клеточного — с Т-лим-фоцитами, причем в обоих случаях с участием макрофагов.

Почему аутоантитела не распознают собственные макромолекулы? Считают, что распознание аутоантителами собственных макромолекул не происходит по причине гибели лимфоцитов, выполняющих эту функцию. Несомненно, что данное явление имеет место после развития иммунной системы организма, но до встречи организма с чужеродными макромолекулами.

Иммунный ответ организма координирует белки — цитокины, которые являются своеобразными иммунологическими гормонами.

Антитела, возникшие в результате иммунизации, называют иммунными, тогда как в сыворотках крови нормальных людей и животных могут находиться их естественные нормальные антитела. Схема развития лимфоцитов является относительно простой. Предполагают, что в ходе дробления оплодотворенной яйцеклетки возникает одна клетка, которая является предшественником клеток Т и В. Последующие деления этой клетки продуцирует только клетки Т и В, потомство каждой из которых развивает способность распознавать только один антиген (одни макромолекулы). Однако некоторые из этих антигенов являются собственными макромолекулами организмов. Лимфоциты, распознающие собственные антигены, погибают или делаются «нераспознающими», причем время, когда это происходит, зависит от вида организмов. Например, у мышей это происходит в период рождения, а у человека — еще в период эмбрионального развития.

Известно также, что при размножении в клетках нервной системы вирусов полиомиелита, клещевого энцефалита и др. образуются антигены, вызывающие синтез аутоантител. Эти реакции аутоантителообразования ведут к аутоиммунным болезням (гломерулонефриту, некоторым гемолитическим анемиям, множественному склерозу человека).

Известно, что организм животных обладает способностью синтезировать гигантское разнообразие антител. Например, мыши могут синтезировать антитела около 210⁶ специфических типов. Исходя из того, что каждый антиген кодируется только одним геном, а размер одного гена составляет примерно 1000 нуклеотидов, часть мышиного генома, ответственного за синтез антигенов, равна 210⁹ нуклеотидным парам.

Для объяснения механизмов образования антител предложено несколько теорий, из которых наиболее популярной является «клонально-селекционная» теория (Ф. Вернет, 1961). В соответствии с этой теорией в организме имеется исключительно многочисленная популяция лимфоидных клеток, порядка 1 х 10". Эта популяция очень гетерогенна генетически, в результате чего каждая группа лимфоцитов обладает разным родством к антигену. Вследствие контакта с антигеном лимфоциты, обладающие на своей поверхности белками-рецепторами антигена, подвергаются пролиферации и трансформации в плазматические клетки, продуцирующие антитела. Таким образом, антиген избирательно стимулирует те клетки, у которых к нему есть рецепторы. Давая затем потомство, они образуют множество клонов, состоящих из Т-клеток или В-клеток и обладающих одинаковой антигенной специфичностью.

Клетки определенных клонов лимфоцитов могут сохранять память об антигенном стимуле в течение нескольких делений. Это носит название иммунологической памяти, и на этом явлении основано длительное поддержание иммунитета.

Поскольку апоптоз клеток сопровождается экскрецией в межклеточные пространства деградированной ДЦК итистонов, то считают, что последние являются аутоантигенами, определяя аутоиммунные реакции.

Иногда иммунная система не способна реагировать на собственные антигены. Это называют естественной иммунологической толерантностью. Если же толерантность к собственным антигенам нарушится, то результатом будет развитие аутоиммунологических болезней. Избыточная антигенная стимуляция приводит к открытому в 1953 г. австралийским ученым П. Медаваром и чешским ученым М. Гашеком явлению приобретенной иммунологической толерантности (от лат. tolerantia — терпение).

Как уже отмечено, антитела представляют собой белки-иммуноглобулины. Количество их в плазме крови составляет примерно 20% всех плазменных белков. Для них характерно наличие антигенсвязывающих участков, причем каждый клон В-клеток продуцирует антитела со специфическими антигенсвязывающими участками. Эти участки принимают участие во взаимодействии антигена с антителом (рис. 208).

Основными реакциями иммунитета являются нейтрализация токсинов (антитоксинами), преципитация бактерий (преципитинами), агглютинация бактерий (агглютининами), лизис бактерий (лизинами), связывание комплемента, опсонизация (опсонинами). Эти естественные реакции иммунитета широко используют в лабораториях для диагностики многих болезней человека и домашних животных.

Иммунный ответ клеточного типа детерминируется реакциями Т-клеток, которые у позвоночных чрезвычайно важны в защите от вирусов и грибов. Различают цитотоксические Т-клетки, убивающие соматические клетки, инфицированные вирусом, Т-хелперы, помогающие В-лимфоцитам в образовании антител, и Т-супрессоры, подавляющие иммунные реакции. Считают, что Т-хелперы и Т-супрессоры являются главными регуляторами иммунных ответов организмов.

Тканевой иммунитет у животных и человека обеспечивается кожей, слизистыми оболочками, лимфатическими узлами, тканями мышц, мускулатуры кишечника и матки, сывороткой крови и другими жидкостями. Этот иммунитет является неспецифическим.

Часто иммунологическая реактивность организмов может изменяться. У человека и животных различают явление, называемое аллергией. Аллергия (от греч. allos — другой, ergon — действие) — это измененная реактивность организма, наступающая под влиянием микробов, токсинов, лечебных препаратов и других веществ, называемых аллергенами. Аллергенами могут служить пыль подушек, перхоть собак, кошек, лошадей, пыль шерсти, хлопка, пыльца растений, яйца, кофе, цитрусовые и др. Как правило, она возникает в результате повторного введения или попадания в организм того или иного аллергена.

Аллергия проявляется либо очень быстро в форме анафилаксии (судороги, выделение мочи и кала, повышение температуры), сывороточной болезни и острого ревматизма либо в замедленной форме (лекарственная болезнь, вызываемая антибиотиками и другими препаратами).

Аллергические, инфекционные и неинфекционные болезни с выраженным проявлением воспалительных реакций, а также иммунодефицитные состояния и аутоиммунные заболевания человека в настоящее время довольно широко распространены. Считают, что в основе иммунологических нарушений лежит ряд причин, а именно:

1. Снижение эффективности естественного отбора на устойчивость к инфекциям, т. е. снижение роли отбора в совершенствовании иммунной системы организмов, включая человека.

2. Снижение стимуляции лимфоцитов Т и В, равно как и клеток иммунной системы, антигенами бактерий, обитающих в кишечнике и других полостях тела животных и человека, из-за широкого использования антибиотиков, которые убивают бактерий.

3. Интенсификация воздействия на животных и человека экологических факторов, обладающих иммунологическим эффектом. Иммунитет является недостаточным либо совершенно отсутствует у животных и человека против гельминтов.

4. Пространство, местообитания, биомы, сообщства

Жизнь сосредоточена в океанах (морях) и на материках. Однако пространство океанов и материков измеряется очень большими расстояниями, на которых могут существовать совершенно различные живые формы. Поэтому в целях упорядочивания пространство океанов и материков районируют, выделяя фаунистические и флористические области.

В океане различают 10 фаунистических (зоогеографических) областей, в частности. Арктическую, Атлантическую, Тихоокеаническую, Западноатлантическую, Восточноатлантическую, Магелланову и др. Что касается материков, то на них различают таких 6-9 областей. По одной из классификаций выделяют Палеарктическую (Европа, Средняя Азия, Северная Азия и Северная Африка), Неоарктическую (Северная Америка), Кругоантарктическую (Антарктика), Неотропическую (южная Америка), Эфиопскую (Африка), Восточную (Юго-Восточная Азия) и Австралийскую области. Для каждой из этих областей характерна. своя фауна. Существуют и другие классификации материковых фаунистических областей, но они не имеют особых отличий от приведенной классификации.

Выделение флористических областей на пространствах морей и материков имеет некоторое отличие, т. к. ботаники предпочитают применять термин «флора» (на практике) лишь к сосудистым растениям. В случае низших растений чаще используют такие словосочетания, как биофлора, альгофлора и т.д. Поэтому флористическое районирование распространяется практически лишь на материки, на территориях которых выделяет ряд областей (фитохорионов) с присущими им определенным видовым составом растений. В выделении областей учитывают эндемизм растений, т.е. приуроченность видов, родов и других систематических единиц растений к определенным территориям, границы которых иногда бывают несколько размытыми. Растения видов, родов, семейств и других систематических единиц, приуроченные в своем распространении к определенным территориям, являются эндемиками.

В районировании различают прежде всего флористические царства, которые подразделяют на флористические области, флористические области — на флористические провинции, а последние — на флористические округа.

В соответствии с наиболее распространенной флористической классификацией различают голарктическое, палеотропическое, неотропическое, капское, австралийское и голантарктическое царства (рис. 209). Наша страна укладывается в границы Голарктического царства, которое охватывает Европу, Северную Африку, Северную Америку и ту часть Азии, которая не является тропической. Голарктическая флора представлена такими семействами растений, как лютиковые, гвоздичные, барбарисовые, березовые, ивовые, магнолиевые, розоцветные, крестоцветные и др.

Видовой состав разных флор очень различен. Наиболее богатыми по видовому составу являются флоры тропических широт. Если в Южной Америке насчитывают около 40 тыс. видов растений, то в Гренландии их лишь около 400, а на Шпицбергене около 130. В тропических широтах преобладают орхидные (в основном во влажных тропических лесах), молочайные, мареновые, злаки, бобовые, осоковые. В зонах умеренного климата преобладают сложноцветные, бобовые, розоцветные, злаки, осоковые и крестоцветные. Для засушливых районов характерны обычно мареновые.

Местообитание — это, по существу, место, где живет тот или иной организм. Им может быть участок поверхности земли, водоема или воздушного пространства. Размеры местообитания чрезвычайно варьируют, что зависит от вида организма. Например, местообитанием термитов может служить нижняя поверхность гниющего бревна, тогда как местообитанием лососевых является почти весь Тихий океан.

Различают наземные, воздушные и водные местообитания. Наземные местообитания представляют собой поверхность и поверхностные слои Земли. Наиболее богатой является наземная флора тропических широт. Воздушные местообитания являются временными, т.к. все летающие животные являются все же наземными организмами. Наиболее объемными и населенными являются водные местообитания, которые делят на морские и пресноводные.

Морские местообитания занимают около 78% поверхности земного шара и представляют собой слои воды глубиной до 4000 м, в которых еще активна жизнь. Моря и океаны неоднородны по физическим свойствам, и это ведет к тому, что в разных районах Мирового океана существуют и разные температуры. Температуpa морей зависит от места моря, глубины, течения и времени года. Если в полярных и тропических морях она более или менее постоянна, то в морях континентальной зоны она непостоянна, особенно в разные времена года. На глубинах более 2000 м она всегда и везде составляет около 2°С. Между тем, температура имеет ведущее значение в определении зональной распространенности организмов.

Соленость морской воды также ограничивает распространение живых форм. Например, в Мертвом море из-за высокой концентрации солей вообще нет живых организмов.

Свет чрезвычайно важен для организмов, но на глубинах 2000 м и более устанавливается сплошная темнота. Первичные производители органического вещества в море сосредоточены в прибрежных областях и представлены фитопланктоном, который состоит в основном из диатомовых водорослей и динофлагеллят. Но в открытых тропических морях планктона очень мало. Зоопланктон встречается во всех областях моря и представлен мелкими членистоногими, а также яйцами и личинками разных животных.

Установлено, что основные морские сообщества организмов формируются в зависимости от температуры, глубины и солености того или иного моря. Их классифицируют на тропические и полярные морские сообщества, хотя границы между этими сообществами чрезвычайно размыты.

Пресноводные местообитания составляют 2% от всей площади суши. Они представлены реками, озерами, прудами, водохранилищами. Местообитания организмов здесь ограничиваются температурой, мутностью воды, течениями, кислородом и углекислым газом, солями и осмотическим давлением. Наиболее богатыми по видовому содержанию животных и растений являются прибрежные зоны.

Фитопланктон пресных водоемов представлен зелеными и диатомовыми водорослями, а также цианобактериями.

Растения, животные, физический субстрат и климат находятся в постоянном взаимодействии между собой. В результате этого в местах обитания формируются крупные комплексы (совокупности) организмов, получившие название биомов.

Различают наземные, морские и пресноводные биомы. Каждый из наземных биомов характеризуется определенным набором растительности (деревья, кустарники, травы и т.д.), с которой связаны живущие в этих местообитаниях животные. Биомами являются тундра, хвойные леса, лиственные леса, влажный тропический лес, степь, чаппараль, пустыня.

В одном биоме может обитать одно или несколько сообществ животных и растений, причем видовое разнообразие сообществ зависит от его возраста, климата, продуктивности и др.

Для биомов, населяющих местообитания, характерна определенная климаксная растительность и определенные виды животных. Между обоими компонентами (группировками) биома существует тесная связь.

Эти группировки растений и животных получили название сообществ. Часто сообщества называют по большинству встречающихся в нем организмов.

Размеры сообществ очень колеблются, тем не менее их структура характеризуется упорядоченностью, которая выражается в определенных отношениях между видами, одни из которых встречаются чаще, другие реже. С другой стороны, для сообществ присуща пространственная структура (размещение в пространстве) и видовая. На состав сообществ влияют пищевые связи. Например, использование степи в качестве пастбища сопровождается ростом той же растительности. Но прекращение выпасов заканчивается ростом только ковыля.

Сообщества состоят из популяций организмов разной видовой принадлежности. Тропические сообщества характеризуются большим количеством видов, но численность видов является не очень большой.

Напротив, сообщества полярных морей характеризуются меньшим количеством видов, но численность их является большей.

Например, в море Лаптевых встречается 400 видов животных, в Карском — 1200 видов, в Баренцевом — 2500 видов, в Северном — 3000-4000 видов, в Средиземном — 6000-7000 видов, в Черном — 1200 видов, в Белом — 1000 видов.

Видовой состав сообществ может быть разным, но некоторые виды в них имеют сходные фенотипы и функционально одинаковы. Эти виды называют экологическими двойниками (экологическим эквивалентами).

Облик современных сообществ является результатом эволюции. В свою очередь сообщества влияют на эволюцию видов.

5. Популяции

Сообщества организмов состоят из видов, а виды — из популяций. Вид может состоять из одной или более популяций, причем разной численности. Между популяциями практически не бывает резких разграничений, хотя степень их изоляции зависит от географических условий, от местообитания, от численности соседних популяций. В результате интенсивного размножения границы между популяциями вообще могут размываться. В случае многих млекопитающих популяции имеют стадный характер.

Что же касается структуры самих популяций, то она может быть пространственной, возрастной, половой и генетической.

Пространственная структура определяется размещением особей в пространстве и зависит от биологических свойств вида, от характера местообитания, от времени года. Например, организмы многих видов предпочитают держаться стаями (птицы) либо стадами (млекопитающие).

Возрастная структура популяции определяется количеством в популяции организмов того или иного возраста, а половая — количеством самцов и самок.

Генетическая структура является отражением количественных отношений между разными генотипами в популяции.

Популяции в сообществах взаимодействуют между собой. Одни из них создают среду для других организмов. Например, деревья служат местом для гнездовий птиц или, затеняя почву, мешают развитию травянистой растительности. Это так называемые типические связи. Но часто организмы связаны между собой пищевыми связями, когда один организм служит пищей для других. Например, лисы используют в пищу мышей-полевок, что и определяет их довольно тесную связь.

Для популяций характерна такая величина, как численность или поголовье. Эта величина не является постоянной, ибо зависит от очень многих факторов (темпов размножения, гибели особей в результате старости, болезней, уничтожения хищниками, миграции).

Если по каким-то причинам невозможно определить численность популяции, тогда определяют ее плотность, выражаемую как количество особей на единицу площади (в наземных местообитаниях) или объема (в водных местообитаниях).

Ареал и численность особей в популяции определяется географическими, физическими и экологическими условиями их обитания. Как и в случае видов, распространение популяций является неравномерным. Поэтому различают «сгущенную» и «островную» формы распределения популяций. В случае «сгущенной» формы распространения популяций их ареал характеризуется наличием особенно плотно заселенных зон. Например, «сгущенное» распределение характерно для популяций берез на русской равнине, где они формируют так называемые высокоплотные на единицу площади чистые березняки наряду с уменьшенным количеством растений в других местах ареала. Напротив, «островное» распределение заключается в очаговом распределении берез в Западной Сибири.

Для популяций характерны различия по возрасту. Например, древесные растения в лесах характеризуются разным возрастом, вследствие чего в перекрестном опылении участвует пыльца разновозрастных растений. Напротив, популяции отдельных видов всегда являются молодыми. Например, популяции дальневосточных лососей в море всегда представлены организмами одного возраста.

Половой состав популяций (соотношение полов) организмов (животных и двудомных растений) разных видов также характеризуется различиями (рис. 210), что отражается на интенсивности их размножения. У тех же организмов, у которых существует партеногенез (ракообразные, насекомые), интенсивность размножения является очень высокой.

Численность популяции представляет собой величину, часто меняющуюся в зависимости от условий обитания, частот рождения, гибели и притока организмов из одной популяции в другую. Иногда разные популяции одного вида объединяются или разделяются на более мелкие.

И животные и растения способны очень быстро увеличить свою численность в течение определенного промежутка времени. Эту способность, т.е. их плодовитость, называют биотическим потенциалом вида, который особенно велик, например, у бактерий. Несколько меньшим, но все же очень большим он является у насекомых и некоторых ракообразных, численность которых за год может возрасти примерно в 10³⁰ раз. Что касается млекопитающих, то их биотический потенциал является небольшим. Например, одна пара овец за год в среднем может дать лишь одного ягненка.

Если рост популяции происходит в условиях избытка пищи, достаточного места и других благоприятных факторов, то рост численности происходит в геометрической прогрессии или экспоненциально. Классическим примером экспоненциального роста численности являются вспышки численности саранчи (волн жизни). Однако во времени экспоненциальный рост численности обычно является коротким, после чего он значительно замедляется.

Установлено, что повышение плотности популяции сопровождается уменьшением условий для ее роста и размножения, в результате чего рост численности замедляется (рис. 211). Очень хорошо это положение иллюстрируют также кривые размножения культур бактерий (рис. 212).

В мире микроорганизмов прирост численности, т.е. плотности культуры зависит от скорости деления клеток. Что же касается многоклеточных организмов, то рост численности зависит от рождаемости и от смертности. По существу, коэффициент рождаемости отражает степень плодовитости.

Различают абсолютную и удельную рождаемость, причем под первой понимают количество особей, рождающихся в популяции в единицу времени, тогда как под второй понимают количество родившихся особей на определенное число организмов. В случае человека удельную рождаемость выражают коэффициентом рождаемости. Например, если рождается 5,6 детей на 100 жителей, коэффициент рождаемости составит 5,6%.

В противоположность рождаемости смертность определяют как скорость уменьшения численности популяции вследствие гибели отдельных организмов в результате старости, болезней, хищников и т.д.

Изменение численности организмов в замкнутых популяциях зависит от соотношения смертности и рождаемости. При смертности, большей рождаемости, рост численности становится отрицательным. Напротив, при рождаемости, превышающей смертность, рост численности становится положительным, т.е. численность популяции увеличивается.

Численность популяций всегда подвержена колебаниям, частота которых наиболее высокая у насекомых. Например, колебания численности саранчи в годы ее интенсивного размножения (волн жизни) составляют сотни тысяч раз. У млекопитающих колебания численности являются небольшими.

Эффективность действия одних факторов на численность зависит от плотности, действие же других с плотностью не связано. Например, обеспеченность пищей или распространение инфекций зависит от плотности организмов, тогда как губительный характер снежных зим для птиц не зависит от их плотности.

6. Среда обитания, ареалы и экологические ниши

Жизнь организмов зависит от совокупности факторов, действующих в их среде обитания. Однако в ходе исторического развития организмы развили множество приспособительных механизмов, которые придали им чрезвычайную способность к приспособлению в окружающей среде. Именно это обеспечивает способность вида к расширению своего ареала, под которым понимают область земного шара, где встречается данный вид. Ареал может составлять всего лишь несколько квадратных километров либо целый материк и даже больше. Кроме того наличие приспособительных механизмов обеспечивает уход вида от неблагоприятных воздействий среды, чем изменяется его ареал.

Одно из приспособлений, которое позволило животным завоевать сушу, Мировой океан и атмосферу, заключается в том, что им присуща чрезвычайная способность к перемещению, к отысканию областей, в которых имеется больше возможностей для лучшего питания и размножения. Например, многие киты в осенний период года передвигаются в северные широты, где достаточно корма, а с приближением зимы вновь уходят в экваториальные широты. Тунцы и лососевые преодолевают огромные расстояния, чтобы найти места для размножения и откорма. Личинки речных угрей мигрируют из Саргассова моря в реки Евразии и Северной Америки, а половозрелые особи (самки) возвращаются на нерест снова в Саргассово море.

Известны также случаи успешного преднамеренного «переселения» животных. Например, из Азовского моря в Каспийское по экономическим причинам были перемещены полихеты и двустворчатые моллюски, а из дальневосточных морей в моря, омывающие Южную Америку и Новую Зеландию, — дальневосточные лососи. Успешным оказалось также «переселение» колорадского жука из Америки в Европу, который стал вредителем.

Растения не обладают самостоятельной способностью к передвижению, хотя ветром их семена могут переноситься на огромные расстояния. Тем не менее для распространения растений характер на зональность, выражающаяся в смене одних сообществ растений на другие по мере продвижения их от экваториальных широт к полюсам. Различают ряд зон, а именно тундры, хвойные леса, летнезеленые широколиственные леса, степи, пустыни, саванны, вечнозеленые тропические леса и др.

Одно из важнейших приспособлений растений к температуре заключается в форме роста. Например, в холодных районах (Арктика, высокогорье) встречается много стелющихся форм. В то же время южные растения, будучи перенесенными на север, обычно произрастают на прогреваемых склонах. Многочисленные примеры из мира животных и растений свидетельствуют о том, что организмы могут существовать не только в границах природных ареалов, но и далеко за их пределами, давая многочисленное потомство.

В результате приспособления организмов к абиотическим и биотическим факторам создаются условия для существования видов и их связей с другими видами, причем сообщества разных районов населяют эквивалентные формы организмов. Например, кактусы, которые растут в штате Аризона (США), эквивалентны молочаям Европы, внешне не очень сходным и филогенетически очень далеким от них. Но и кактусы, и молочаи в своих сообществах выполняют сходную роль, т.е. занимают сходные ниши. Можно сказать, что местообитание организма есть его «адрес», тогда как экологическая ниша, образно говоря, представляет собой «профессию» организма. Организмы двух видов не могут обладать одной и той же нишей (принцип конкурентного взаимоисключения).

Различают фундаментальные и реализованные экологические ниши. Фундаментальная экологическая ниша представляет собой комплекс условий, в которых есть принципиальная возможность для существования того или иного вида. Напротив, реализованная экологическая ниша представляет собой комплекс условий, в которых реально вид обитает. Например, фундаментальной нишей аскариды человеческой является кишечник млекопитающих, тогда как реальной нишей этого организма является кишечник человека.

Систематически подвергаясь воздействиям среды, организмы, в свою очередь, влияют на среду. Примеры этого влияния очень многочисленны. Например, растения изменяют газовый состав атмосферы, т.к. в нее поступает кислород в результате осуществляемого растениями фотосинтеза. Одновременно растения извлекают из атмосферы углекислый газ, а азотфиксирующие бактерии — азот.

Далее, организмы изменяют физические и химические свойства почвы. Например, микроорганизмы участвуют в образовании почвы, тогда как черви и роющие животные изменяют структуру почвы, делают ее более рыхлой. Деятельность растений и животных определяет содержание органических и минеральных веществ в воде.

БИОСФЕРА И ЧЕЛОВЕК

Биосфера (от греч. bios — жизнь, sphaira — пленка) — живая оболочка Земли.

Термин «биосфера» впервые был использован известным австрийским ученым Э. Зюссом (1831-1914) в его книге «Лик Земли» (1875).

Позднее термин «биосфера» использовали и другие ученые, но учение о биосфере в современном понимании было сформулировано В.И. Вернадским (1863-1945) в его знаменитой книге «Биосфера» (1926). По В.И. Вернадскому «Биосфера представляет собой определенную геологическую оболочку, резко отличную от всех других оболочек нашей планеты...» И далее: «Живое вещество проникает всю биосферу и ее в значительной степени создает».

Как отмечал В.И. Вернадский, геохимические процессы на Земле и формирование лика Земли связаны с живыми существами, поэтому биосфера включает в себя собственно живую оболочку Земли (живой материал в виде живых организмов, населяющих Землю в каждый момент) и былые живые оболочки (былой живой материал), границы которых определяются распределением биогенных осадочных пород.

По В.И. Вернадскому «Живое вещество биосферы, единственной области планеты, закономерно связанной с космическим пространством, есть совокупность ее живых организмов, ее живого вещества как планетного явления».

Отмечая, что «Века и тысячелетия прошли, пока человеческая мысль могла отметить черты единого связного механизма в кажущейся хаотической картине природы», В.И. Вернадский сумел подняться на вершины научного творчества. Развитые им положения стали одним из крупнейших естественнонаучных обобщений XX в.

1. Подразделения биосферы

В.И. Вернадский подразделил биосферу на тропосферу, литосферу и гидросферу.

Тропосфера — нижняя часть атмосферы, высота которой доходит до 20 км, где жизни уже нет, но происходят миграция и обмен биогенных газов. Объем атмосферы, в которой обнаруживается жизнь, составляет 7 444 600 км⁸.

Литосфера — это твердая поверхность Земли, представленная ее верхними водонепроницаемыми слоями глубиной до 2-5 км, ниже которых уже лежат осадочные породы, а еще ниже — переплавленные породы гранитной оболочки. Объем почвенного слоя, в котором обнаруживают жизнь, составляет около 100 000 км³. Почва заселена такими организмами как бактерии, корненожки, инфузории, черви (нематоды), олигохеты, насекомые, клещи, мелкие млекопитающие, растения.

Гидросфера — это водная часть биосферы, представленная реками, озерами, морями и океанами. Объем морей и океанов составляет около 1 млрд. 370 млн. км³, тогда как объем озер, рек, водохранилищ и учтенных подземных вод составляет около 8 млн. км³. Моря и океаны являются одним из основных биотопов, хотя около 90% их объема представлены глубинами, для которых характерен полный мрак. С другой стороны, для глубин более 4000 м характерно также очень высокое давление, составляющее около 400 атмосфер. Можно сказать, что часть Мирового океана является естественной барокамерой, заполненной живыми организмами.

Население гидросферы представлено планктоном, бентосом и нектоном. Планктон представляет собой совокупность мелких организмов животной и растительной природы, которые либо не способны к самостоятельному движению, передвигаясь вместе с водой, либо способны, двигаясь в воде самостоятельно. Различают фитопланктон, который в морях представлен одноклеточными водорослями (диатомовыми), цианобактериями и другими организмами, и зоопланктон, представленный одноклеточными форами — ниферами, радиоляриями и многоклеточными кишечнополостными, а также червями, ракообразными, личинками беспозвоночных животных и т.д. В планктоне пресных вод встречаются в основном низшие ракообразные и коловратки.

Бентос представляет собой совокупность животных (зообентос) и растений (фитобентос), ведущих придонный образ жизни (губки, кишечнополостные, черви, моллюски, ракообразные, иглокожие, асцидии, водоросли и др.). В пресноводном бентосе содержатся личинки некоторых насекомых, брюхоногие моллюски, пиявки, губки (бадяги) и др. Нектон представлен крупными плавающими организмами (морские млекопитающие, рыбы, кальмары и др.). Нектон пресных вод представлен карповыми рыбами.

Зона морских приливов и отливов (осушная зона), которая может составлять всего лишь несколько метров, носит название литорали. Она заселена ракообразными, червями, моллюсками.

Глубины водной части биосферы зависят от водоема. В океане они доходят до 10 км и более, причем жизнь встречается на самых разных глубинах.

Считают, что со времени появления жизни на Земле живые существа непрерывно перерабатывали вещество литосферы, тропосферы и гидросферы. Поэтому мощность биосферы определяется биомассой живущих одновременно на Земле организмов. Подсчитано, что биомасса живых существ составляет 2,42310¹² тонн, из которых на долю сухопутных организмов приходится 2,4210¹² тонн, водных — 0,00310¹². Подсчитано также, что одну треть биомассы Земли составляют одноклеточные организмы, бактерии и простейшие. Кислород в живом веществе составляет 65-70%, водород — 10%, остальные более 60 элементов — 20-25%.

Жизнь и деятельность человека связана с нижними слоями тропосферы (несколько метров), верхним слоем литосферы (биогеоценотический покров с почвой и подпочвой, где сосредоточены корневые системы растений) и гидросферой. Теперь мы знаем, что жизнь человека длительное время возможна и в космосе.

2. Экологические системы

Впервые представления об экологических системах сформулированы в 30-е гг. А. Тенсли (1935). В нашей стране близкое понятие о биогеоценозах сформулировал в 1944г. В.Н. Сукачев (1880—1967). В наше время под экологическими системами понимают совокупность живых и неживых элементов на определенной территории. Экологические системы состоят из живых организмов (биоценозов) и среды обитания — косной (атмосфера) и бикосной (почва, водоем и т. д.). Они иногда отделены одна от другой, но часто между ними имеются переходы. Примерами экологических систем являются озеро, лесной массив и т.д. От экосистем следует отличать биомы, под которыми, как показано выше, понимают значительные сообщества организмов, приуроченные к определенным географическим районам с их климатическими и почвенными зонами.

Экологические системы являются элементарными единицами биосферы. В то же время они являются элементарными единицами биогеохимической активности, протекающей в биосфере. Любая экологическая система имеет энергетический ввод, через который в нее поступает энергия солнечного света. Световая энергия, поступающая в экосистему через ввод, поддерживает порядок в этой системе, предупреждая повышение энтропии (рис. 213).

Рассмотрим экологическую систему на примере озера (рис. 214). Как и любая экологическая система, озеро состоит из абиотической и биотической частей.

Абиотическая (неживая) часть экосистемы представлена воздухом, почвой, водой, растворенными в воде кислородом, двуокисью углерода, неорганическими солями (фосфаты и хлориды натрия, калия и кальция) и органическими соединениями. Абиотической частью является также температура, свет, ветер и гравитация, которые оказывают влияние на живую часть.

Биотическая (живая) часть озера представлена организмами-производителями (продуцентами), организмами-потребителями (коксументами) и организмами-разрушителями (редуцентами). Организмами-производителями являются автотрофы — прибрежная растительность, водные многоклеточные и одноклеточные плавучие растения (фитопланктон), живущие до глубин, куда еще проникает свет. За счет энергии, поступающей через ввод, организмы-производители в процессе фотосинтеза синтезируют органическое вещество из воды и углекислого газа. Основным показателем мощности экосистемы является ее продуктивность, под которой понимают массу органического вещества в телах организмов-продуцентов. Продуктивность экосистемы зависит от количества света, воды, богатства почвы или воды органическими и минеральными соединениями.

Организмами-потребителями (коксументами) органического вещества служат гетеротрофы, среди которых различают потребителей первого и второго порядка. Первичными потребителями служат травоядные животные, вторичными — плотоядные, которые питаются первичными потребителями. Организмы-разрушители — это бактерии и грибы, которые разлагают «мертвую» протоплазму (органические соединения) клеток погибших организмов-производителей и организмов-потребителей вплоть до низкомолекулярных органических и неорганических соединений. Органические соединения затем используются самими организмами-разрушителями, тогда как неорганические — зелеными растениями. Итак, в экологической системе в процессе ее функционирования происходит круговорот веществ и энергии.

Мы рассмотрели в качестве экологической системы природную систему (озеро), не уделяя внимания участия в ней человека. Однако большинство экологических систем функционирует с участием человека. В связи с этим различают экологию отдельных индивидуумов и сообществ людей.

Экология отдельных индивидуумов заключается в том, что каждый индивидуум должен «подогнать» свою внутреннюю физиологию к меняющимся условиям среды обитания. Индивидуум получает энергию с пищей и расходует ее для обеспечения своих физических и интеллектуальных усилий, метаболических процессов, протекающих в организме, роста и т.д. Благодаря нейрогуморальной регуляции в организме индивидуума поддерживается постоянная температура тела, оптимальные концентрации воды, кислорода, двуокиси углерода, NaCI, углеводов, белков и других важных соединений. Проникновению в организм индивидуума патогенных факторов препятствует кожа, антитела, фагоциты и другие факторы защиты. Органы чувств, нервная система и локомоторные органы позволяют индивидууму обезопасить пищу, найти друзей, избегать врагов, создавать ситуацию, наиболее благоприятную для выживания. Каждый индивидуум способен адаптироваться к измененным климатическим условиям. Все это приводит к тому, что между внутренней физиологией индивидуума и условиями окружающей среды устанавливается динамический эквилибриум.

Рис. 215

Пирамида биомассы

Однако люди объединены в сообщества. В состав этих сообществ входят также окружающие их растения и животные, которые являются источником пищи и других необходимых материалов для людей. Следовательно, с учетом абиотических факторов экологическую систему, в которой функционирует человек, составляют сообщества людей и среда их обитания. Экологические системы, в которых человек занимает важное место, чрезвычайно разнообразны по размерам, содержанию и организации, что чрезвычайно затрудняет классификацию этих систем. Тем не менее, они являются экологическими системами, в которых центрами являются деревни, города и другие населенные пункты.

Все элементы экологических систем составляют единую совокупность, и это определяется тем, что они объединены между собой так называемыми цепями питания, под которыми понимают передачу от организмов-потребителей заключенной в пище энергии первоначального источника (Солнца) через организмы-потребители (в ряде цепей питания конечным звеном является человек) к организмам-разрушителям.

Важнейшей особенностью цепей питания является то, что их количество в каждой экосистеме ограничено, поскольку в каждом звене каждой цепи питания происходит потеря энергии при ее передаче. В результате этого продукция вещества понижается на каждом звене цепи. Например, 10 000 кг водорослей достаточно для накопления вещества в количестве 1000 кг водных членистоногих, а 10 кг рыбы — для накопления 1 кг вещества человека. Таким образом, пищевая цепь представляется в виде пирамиды, состоящей из нескольких трофических уровней (рис. 215). У основания расположены фотосинтезирующие бактерии, которые являются пищей для следующего уровня, а эти организмы являются пищей для последующего уровня и т.д.

3. Круговорот веществ

Химические механизмы, лежащие в основе пищевых цепей, представляют собой круговороты (циклы) веществ. С другой стороны, круговороты веществ обеспечивают самоподдержание популяций.

Круговороты веществ не являются замкнутыми. Часть органических и неорганических веществ вытесняется за пределы сообществ, но при этом происходит их пополнение за счет внешних источников (осадки, фиксация азота атмосферы и т.д.). Рассмотрим в качестве примеров круговороты углерода, кислорода и азота.

Круговорот углерода, входящего в состав всех органических соединений, начинается с конверсии двуокиси углерода (формы углерода в атмосфере) и воды в органическое вещество (пищу). Часть этого вещества используется живыми организмами при дыхании, в результате чего часть двуокиси углерода снова возвращается в атмосферу.

Подсчитано, что весь углерод атмосферы проходит через живые организмы за время, равное 7-8 годам. Другая часть двуокиси углерода запасается в протоплазме клеток. После смерти организмов протоплазма их клеток разлагается, в результате чего двуокись углерода также освобождается и уходит в атмосферу. Основная часть углерода содержится в форме COg в морях и океанах. Его круговорот является таким же, как и в случае атмосферного углерода.

В экологических системах, где принимает участие человек, двуокись углерода поступает в атмосферу также и в результате сжигания растений в качестве топлива.

Круговорот кислорода заключается в том, что атмосферный кислород используется растениями и животными при дыхании (сжигании пищи), в результате которого освобождается энергия, вода и двуокись углерода в фотосинтезе, при котором освобождается кислород, после чего цикл начинается снова.

Более сложным является круговорот азота, самым большим резервуаром которого служит атмосфера (около 80%). Поскольку большинство растений и животных не может использовать атмосферный азот (N₂), то он конвертируется почвенными азотфиксирущими бактериями, корневой системой бобовых растений и цианобактериями в нитриты (NO^-₂), а затем в нитраты (NО^-₃). Этот процесс получил название нитрификации. Растения восстанавливают нитраты, т.е. усваивают азот и синтезируют белки. Круговорот азота далее заключается в том, что почвенные микроорганизмы разрушают животные отходы и остатки мертвых организмов, в результате чего освобождается аммоний, который конвертируется нитрифицирующими бактериями в растворимые соли нитратов, используемые в производстве белков в растениях. В результате поедания растений травоядными животными растительные белки в их организме превращаются в животные.

В процессе гниения трупов растений и животных денитрифицирующие бактерии превращают нитраты в свободный азот (NO₂  NО^-₂  N₂O  N₂), который уходит в атмосферу, но азотфиксирующие бактерии снова конвертируют атмосферный азот в органические соединения, доступные для усвоения растениями.

Свободный азот конвертируется в нитраты также электрическими зарядами (молнией). Искусственное добавление азотных соединений в почву связано с использованием химических удобрений.

Большое значение в природе имеет круговорот воды. Он осуществляется за счет солнечной энергии, но регулируется со стороны организмов. Под влиянием Солнца моря и океаны подвергаются испарению. Эта вода в форме «испарений» (пара) поступает в атмосферу, а затем выпадает в виде дождей на сушу, после чего через реки и грунтовые воды снова попадает в моря и океаны. Значительная часть воды, имеющейся на суше, поглощается и испаряется растениями. Но некоторая часть воды в клетках растений подвергается фотолизу, в результате чего она разлагается на кислород и водород. Кислород уходит в атмосферу, а водород включается в состав органических соединений клеток.

4. Устойчивость экосистем. Сукцессии

Важнейшим свойством экологических систем является их устойчивость, т.е. постоянство, которое поддерживается цепями питания. Именно благодаря постоянству цепей питания в природе поддерживается экологический гомеостаз. При этом важно заметить, что устойчивость экологических систем имеет исторический характер, а регуляция тех немногих экологических систем, в которых человек не имеет значения, обеспечивается такими факторами, как конкуренция, миграция, хищничество, недостаток корма или питательных веществ в почве, болезни, температура и другими естественными факторами.

Напротив, в экологических системах, где сообщества людей имеют важное значение, в качестве регулирующих механизмов действуют не только механизмы, названные выше, но и механизмы, действующие непосредственно в человеческом обществе. Ими являются законы, общественное мнение, поощрения и наказания, снабжение и потребление, конкуренция, образование, воспитание навыков экологической культуры, здравоохранение и т.д. Благодаря этим и другим экономическим, социальным и политическим механизмам каждая социальная группа сохраняет свой рабочий баланс в изменяющихся условиях окружающей среды, что оказывает существеннейшее влияние на устойчивость экологических систем.

Следовательно, природные и общественные механизмы способны поддерживать экологическое равновесие и, следовательно, поддерживать динамический баланс между видами в экологических системах и между разными экологическими системами, в разных географических зонах.

Наряду с устойчивостью, экологическим системам присуща так называемая экологическая сукцессия, заключающаяся в смене сообществ организмов в ходе исторического развития природы, т.е. в замене одних сообществ растений и животных (их видов) в экосистеме растениями и животными других сообществ (видов).

Для экологической сукцессии, как исторического процесса, характерен ряд закономерностей. Прежде всего, процесс экологической сукцессии весьма длителен во времени, поскольку он заключается не в быстрой и внезапной замене одних сообществ другими, а в медленной и нерегулярной замене одних видов животных или растений в сообществах другими видами, но после того, как начался процесс изменения абиотических факторов, т. е. изменяются условия абиотической среды.

Условия, создаваемые организмами видов, начинающих сукцессий первыми, благоприятствуют затем для внедрения в экологическую систему организмов других видов, которые, как правило, оказываются лучше адаптированными к изменившимся условиям. Благодаря этому они быстрее заменяют организмы, ставшие менее приспособленными к новым условиям существования. Таким образом, развитие новых экологических систем (в результате сукцессии) начинается с замены первичного сообщества растений и животных более совершенными сообществами растений и животных. В конечном итоге в экологической системе устанавливается постоянное сообщество, которое разрушается лишь при воздействии на экосистему каких-либо сильнодействующих факторов.

Сообщества организмов, которые в течение длительного периода существования экологических систем не сменяются на другие сообщества, называют климаксными. Те же сообщества, которые появляются в результате сукцессии, получили название сериальных.

Обычно сукцессии совершаются в течение длительных промежутков времени, составляющих сотни или тысячи лет. Однако если же экологические системы подвергаются внешним воздействиям, то сукцессии происходят быстрее. Можно сказать, что в результате внешних воздействий на экологическую систему нарушается экологическое равновесие, т.е. происходят изменения (нарушения) в природе.

Таким образом, нарушения в природе являются результатом нарушения экологического равновесия, разрушения исторически сложившихся экологических систем.

Изменения сообществ в результате сукцессии заключаются в изменении видового состава растений и животных. Видовое разнообразие в новых сообществах зависит от многих факторов, начиная от устойчивости отдельных видов к сукцессиям и вхождения их в новые сообщества и заканчивая растениями и животными, легко заселяющими территории, подвергавшиеся хозяйственному воздействию со стороны человека.

Вернемся к озеру, избранному в качестве примера экологической системы. Типичным примером сукцессии является подсыхание и загрязнение озера травянистой растительностью, превращение его в болото, а затем в неудобье, загрязненное кустарником.

Несомненно, что наряду со сменой растительности здесь происходит и смена животного мира. Очень иллюстративным, возможно, глобальным примером сукцессии является подсыхание Аральского моря, которое сопровождается появлением на месте бывшего морского дна новых сообществ растений и животных, включая мелких млекопитающих.

5. Антропогенные воздействия и направления этих воздействий

На примитивных стадиях своего развития человек был одним из равных видов (среди растений и животных) в экологических системах. По этой причине регулирующие механизмы в тогдашних экологических системах действовали так, как будто бы в них нет человека. Однако с тех пор, как человек стал важным, а затем и доминирующим видом в экологических системах, регулирующие механизмы стали ослабевать или совсем разрушаться. Причины заключаются в воздействии человека на биосферу, начала которых восходит к неолиту.

Однако на ранних этапах истории человека эти воздействия были незначительными. В последующем же они стали нарастать. Обратив на это внимание, В.И. Вернадский назвал ту часть биосферы, на которой особенно сильно сказывается деятельность человека, ноосферой.

Особенно прогрессирующий характер воздействий на биосферу отмечается в новейшее время, когда деятельность человека в биосфере по многим направлениям необратимо стала глобальной, когда его жизнь стала определяться потреблением и выбросами в гигантских размерах. Ниже показано, какими будут потребление и выбросы в ближайшее десятилетие на одного человека, начиная с 2012 г.

Предполагается Предполагается

потребить: выбросить:

Пища — 50 т. Бутылки — 27 000

Вода — 98 280 000 л Бутылочные пробки —27 000

Железо и сталь — 52 т Мусор — 126 т

Бумага — 650 кг Использованные

Удобрения — 5000 кг автомобили — 2

Оценка непрерывно повышающихся все время темпов потребления и выбросов приводит к заключению, что сохранение имеющейся тенденции может даже увеличить показатели, приведенные выше.

Направлений воздействия человека на биосферу (антропогенных факторов) очень много. Воздействия человека на биосферу настолько значительны, что они, как считал В.И. Вернадский, создают новую оболочку Земли — ноосферу. Однако здесь мы рассмотрим лишь некоторые из этих направлений, обратив внимание на их «результативность» и на то, что человек еще не сумел изобрести механизмы, которые бы поддерживали стабильность в модифицированных им экологических системах, членом которых он является сам и которые обеспечивают его пищей и материалами, позволяющими дальнейшее развитие цивилизации.

Среди важнейших направлений в деятельности человека в биосфере следует назвать в первую очередь производство пищи, производство энергии, производство промышленных материалов и химический синтез, транспорт и хозяйственную деятельность. Особое значение имеет военная деятельность в виде войн и различных вооруженных конфликтов. Заслуживают особого внимания вопросы, касающиеся возможного использования ядерного оружия.

Производство пищи. В ходе своей истории человечество всегда сталкивалось с необходимостью обеспечения себя пищей, причем эта проблема решалась разными способами. В течение первых тысячелетий своей истории наши предки были хищниками и травоядными, а Земля в начальный период земледелия могла прокормить лишь 10 млн. человек (рис. 219). Недостаток продовольствия сопровождается голодом.

Впервые голод возник еще в древнем Риме примерно 3,5 тыс. лет до н. э., а его вспышки сопровождают всю историю человечества, включая и наше время. В соответствии с существующими расчетами для обеспечения нормальной жизнедеятельности одного человека на протяжении 70 лет его жизни необходимо 50 т продовольствия со значительной долей белкового содержания. Сейчас население мира составляет свыше 6 млрд. человек, но количества производимого белка достаточно для удовлетворения потребностей лишь половины мирового населения. Между тем по данным ООН численность населения Земли к 2020 г. превысит 7 млрд. а к 2025 г. — 8,46 млрд.

В частности, к 2025 г. население Китая составит 1,492 млрд. человек, Индии — 1,445 млрд., Нигерии — 301 млн., США — 300 млн. По этой причине необходимо будет иметь продовольствия, как минимум, в два раза больше, чем сейчас.

Одно из традиционных направлений в производстве пищи заключается в рубке лесов и распахивании новых земель. Уже сейчас пахотные земли занимают 1,3 млрд. гектаров (10% поверхности Земли). Однако неправильное распахивание земель ведет к эрозии почвы, к зарастанию ее сорняками. Больше того, введение в севооборот новых культур изменило содержание агроценозов, в результате чего в плодах некоторых культур стали обнаруживать ядовитые вещества. Например, в арахисе, зараженном Aspergillus flavus, обнаружен афлатоксин.

Для достижения высоких урожаев прибегают к обильному орошению посевов, но это ведет к засолению почв. Кроме того, прибегают к химическим удобрениям, вносимых в почву в больших количествах, но не использованные растениями удобрения с дождевыми или вешними водами выносятся в водоемы и «удобряют» их, вследствие чего в них усиленно размножается планктон, что изменяет водные экосистемы, ведет к экологической сукцессии с ее неблагоприятными последствиями.

Для защиты растений в сельском хозяйстве широко используют различные химические соединения в качестве пестицидов, гербицидов и дефолиантов, которых в мире сейчас производится более 2 млн. тонн ежегодно.

Однако эти химические вещества, среди которых многие являются мутагенами, загрязняют среду (почву и воду), проникают в клетки растений и животных, а затем с пищей растительного и животного происхождения попадают в организм людей, вызывая нарушения в здоровье.

Химические вещества, загрязняющие почву, воду, атмосферу называют загрязнителями среды обитания.

Производство энергии. Чтобы обеспечить себя энергией (рис. 220), человек прибегает к добыче и сжиганию энергоносителей. В частности, с середины XIX в. началось бурное потребление каменного угля, а позднее и нефти. Однако при сжигании энергоносителей образуется множество веществ-загрязнителей, которые широко распределяются в биосфере, пересекая границы стран и континентов. Например, по некоторым подсчетам ежегодно в мире в результате сжигания жидкого и твердого топлива лишь на электростанциях, ТЭЦ и в домовых котельных в атмосферу выбрасывается около 200 млн. тонн окислов азота.

В то же время в атмосфере уменьшается количество кислорода, но увеличивается доля углекислого газа.

Подсчитано, что за последние 100 лет концентрация углекислоты в атмосфере увеличилась на 12%, создавая так называемый парниковый эффект.

Если в дождевые воды попадают двуокись серы и окислы азота, образующиеся в результате сжигания угля и нефти, то они превращаются практически в разбавленные растворы серной и азотной кислот, которые с осадками в виде кислотных дождей или снега выпадают на Землю, где они становятся ядовитыми для животных, растений и человека.

Подсчитано, что за последние 100 лет количество кислотных осадков увеличилось более чем в 30 раз.

В результате производства энергии в атмосферу попадает также огромное количество частиц золы, которые содержат мутагенные и одновременно канцерогенные вещества (пирен, перилен и др.).

Предполагается, что к 2000г. около 50% или более энергии будет производиться АЭС, а это позволяет предполагать, что биосфера и дальше будет загрязняться радиоактивными отходами. Особенно опасны аварии на АЭС. Итак, производство энергии неизбежно ведет к загрязнению биосферы.

Производство промышленных материалов и химический синтез. Это направление в деятельности человека сопровождается не только использованием невосполнимых запасов минеральных веществ и воды, в том числе питьевой, но и образованием при производстве материалов (стали, чугуна, цемента, тканей и т. д.) в огромных количествах различных химических соединений. В почву и воду попадают соли тяжелых металлов, а через пищу — и в организм человека.

Производство различных металлов, как и энергии, сопровождается также запылением атмосферы, особенно минеральной пылью и сульфатными аэрозолями. Например, цементная пыль содержит окислы кальция и магния.

Большое распространение получило производство бытовых аэрозолей, чистящих и моющих средств, а также химических соединений, придающих материалам водонепроницаемость и другие свойства. Их использование также сопровождается загрязнением среды обитания. Минеральные пыли способствуют повышению температуры в верхних слоях атмосферы, а также вызывают другие неблагоприятные последствия в тропосфере.

Опасность представляют хлорфторуглеводороды в связи с их использованием в холодильной промышленности. Они разрушают озоновый слой, защищающий живой мир от коротковолнового ультрафиолетового излучения. Особую опасность для атмосферы представляет насыщение ее углекислым газом, который создает так называемый «парниковый эффект».

Ежегодно в странах, имеющих химическую лабораторную базу и химическую промышленность, синтезируется несколько десятков тысяч новых химических соединений, из которых около 500 идет на рынок для использования в промышленности, сельском хозяйстве и медицине. Однако использование продуктов химического синтеза не всегда является благоприятным, что подтверждается использованием в практике ДДТ и ДЭС. ДДТ был синтезирован впервые еще в 1874г., но начиная с 1930 г. его стали использовать в качестве пестицида и препарата против малярийных комаров. Однако, уже в 60-е годы стали замечать, что использование сопровождалось уменьшением численности птиц в Европе, а в 70-е годы было установлено, что он обладает «феминизирующим» воздействием на животных.

В частности, было установлено, что под воздействием этого соединения у аллигаторов уменьшается в размерах совокупительный орган, а воздействие метаболитов этого соединения на мужчин сопровождается снижением концентрации сперматозоидов в их эйякулятах, а также развитием крипторхизма. Детальное изучение механизмов действия ДДТ и других сходных химических соединений, загрязняющих окружающую среду, показало, что в организме эти соединения и продукты их распада, будучи по химической структуре непохожими на естественные эстрогены, все же действуют в качестве эстрогенов или блокаторов андрогенов. Кроме того, не вызывая структурных изменений в генах, они вызывают изменения в экспрессии генов.

ДЭС (диэтилстилбестрол) был синтезирован в 1938г. и длительное время использовался в животноводстве для стимуляции роста крупного рогатого скота, а в медицинской практике — для предупреждения выкидышей.

Однако в 70-е гг. стали отмечать, что у девочек, родившихся от матерей, принимавших этот препарат, развивается вагинальный рак.

Было установлено также, что ДЭС тоже обладает эстрогенной активностью, сопровождающейся неблагоприятными последствиями для людей.

Помимо названных химических соединений известны и другие синтетические соединения, которые опасны не только тем, что они загрязняют окружающую среду, но и своим механизмом действия на человека и животных. Будучи непохожими по химической структуре на гормоны, они, тем не менее, мимикрируют сигнализирующие действия естественных гормонов. В результате этого такие химические соединения-загрязнители получили название средовых гормонов. Образно говоря, токсичность некоторых химических загрязнителей окружающей среды является результатом «естественного» сигнала, посланного «неестественной» молекулой.

Особого внимания заслуживает рассмотрение вопроса о химических соединениях, используемых в качестве пищевых добавок, поскольку в последние годы у многих сложилось представление о том, что применение пищевых добавок является одним из условий массового производства продуктов питания.

Пищевые добавки классифицируют на несколько групп, а именно:

а) Красители. Эти химические соединения используют для улучшения товарного вида мяса, овощей и фруктов.

б) Консерванты, антиокислители, стабилизаторы и эмульгаторы. Эти химические соединения используют для обеспечения сохранности продуктов питания в течение длительного времени при разных условиях хранения. Ими обрабатывают продукты как животного, так и растительного происхождения.

в) Усилители вкуса и аромата. Эти химические соединения широко используют в производстве продуктов как животного, так и растительного происхождения.

г) Актифламинги. Эти добавки представляют собой химические соединения, препятствующие образованию пены при разливе соков, а также слеживанию сахара, соли, муки и других сыпучих продуктов питания. Хотя биологическая эффективность многих добавок неизвестна, тем не менее, продукты питания с пищевыми добавками нельзя считать экологически чистыми. Наконец, химический синтез сопровождается бесконтрольным выбросом в среду побочных продуктов химии в огромных количествах, часть которых обладает мутагенными (канцерогенными) свойствами. Некоторые химические соединения в обычных условиях кажутся безвредными. Однако попав в организм, гидролируются там и превращаются в мутагены.

Транспорт. Одним из важнейших направлений в деятельности человека является развитие к использование транспорта с целью перевозки людей, промышленной и сельскохозяйственной продукции, сырья и т. д. Однако транспорт, особенно автомобильный, является загрязнителем биосферы. Воздушный транспорт также не безразличен дли биосферы. Например, авиалайнер Москва-Ныо-Йорк расходует за один рейс свыше 50 тонн кислорода. Но вред также заключается и в том, что транспортировка различных сырьевых материалов часто сопровождается их потерями, загрязняющими литосферу и гидросферу. Например, в последние годы сброшено в моря и океаны около 0,1% нефти, перевезенной от мест добычи к нефтеперегонным заводам. Загрязнение суши нефтью ведет к полному прекращению роста растений на ее поверхности.

Перечисленные здесь направления в деятельности человека уже привели к резким изменениям в биосфере, к нарушениям равновесия во многих экологических системах, что создало для людей новое физическое, химическое и биологическое окружение.

Диалектика преобразующей деятельности человека в собственных интересах заключается в том, что возникли новые противоречия между биологическими особенностями человека и созданными им в результате преобразующей деятельности факторами среды, многие из которых опасны для его здоровья, являясь мутагенами и канцерогенами, а также другими патогенетическими факторами.

Хозяйственная деятельность. С давних времен хозяйственная деятельность человека в природе всегда сопровождалась разрушением местообитаний и изменением численности видов животных и растений. Например, в период с 1600 г. по 1947 г. с лица Земли исчезло 63 вида и 55 подвидов млекопитающих. Среди них следует назвать таких животных как морские коровы, которые обитали у Командорских островов, квагги (зебра), обитавшие в Южной Африке, странствующие голуби — эндемики Северной Африки.

Продолжающееся разрушение мест обитания животных создало угрозу еще для около 450 видов позвоночных, а продолжающаяся чрезмерная добыча и отлов угрожают очень многим видам млекопитающих, птиц и рыб.

Считают, что в результате хозяйственной деятельности в настоящее время главными угрожающими факторами для существования позвоночных являются разрушение их местообитания, ухудшение или ликвидация кормовой базы, уничтожение этих животных с целью защиты посевов, промысел.

Следует отметить также роль интродукции (внедрения) новых видов, которая не всегда благоприятна для исторически сложившихся биоценозов.

Например, вселение во внутренние водоемы нашей страны некоторых видов рыб, питающихся планктоном, сопровождалось резким изменением структуры пресноводных сообществ. В 1960 г- на Тайвань был переселен из Аргентины один из видов улиток как потенциальный источник белка. Улитки этого вида распространились и в другие районы Ю. Азии, что сопровождалось снижением урожая риса.

Во всех промышленно развитых странах ежедневно в пересчете на одного человека выбрасывается около 3 кг домашнего, строительного, уличного и другого мусора. В мире ежегодно один человек выбрасывает в среднем несколько десятков консервных банок, несколько десятков стеклянных бутылок, несколько килограммов бумаги (упаковочной, оберточной, газетной и др.). Все это чрезвычайно загрязняет биосферу.

Особое значение приобретают биологические загрязнители, попадающие в среду в результате недостаточной санитарной культуры людей в процессе их хозяйственной деятельности, с одной стороны, а также в результате экологической сукцессии, с другой. Примерами первого типа загрязнений является загрязнение среды гельминтами, патогенными микроорганизмами, плазмидами, а второго типа — появление на территориях, освобожденных в результате высыхания водоёмов, животных, являющихся резервуарами природно-очаговых болезней.

Военная деятельность. Самая большая угроза для биосферы и человечества связана с перспективой ядерной войны. Как отмечают в одном из своих докладов эксперты Всемирной федерации научных работников, если произойдут взрывы двух ядерных бомб мощностью около 5-10 тыс. мгт. (по одной на территории каждого из возможных противников), то в результате только действия ударной волны сразу погибнет 750 млн. человек, а в результате совместного действия ударной волны, светового излучения и проникающей радиации будет уничтожено около 1,1 млрд. человек и еще около 1,1 млрд. человек получат ранения и будут нуждаться в медицинской помощи. Таким образом, 30-50% мирового населения станут непосредственными жертвами войны только лишь в случае взрыва двух ядерных бомб.

Однако в случае ядерного конфликта неизбежны и долговременные биологические последствия. Пыль и сажа, образующиеся в результате взрыва, поглотят и рассеят солнечный свет, понизят температуру воздуха и почвы. Над северным полушарием интенсивность света может упасть до 1% нормы, а температура может понизиться до -40°С. Доза радиации на площади, составляющей 30% суши, повысится до 500 рад. В последующие несколько недель после взрыва более чем на половине территории средних широт северного полушария радиоактивные осадки создадут внешнюю дозу облучения, превышающую 100 рад. Радиоактивные вещества будут отлагаться в щитовидных железах, костях, желудочно-кишечном тракте людей, в молоке матерей. После оседания пыли частично разрушиться слой озона окислом азота, образующимся при ядерном взрыве. В южном полушарии минимальный уровень освещенности составит 10% нормы, температура поверхности Земли достигнет -18°С, а ультрафиолетовое излучение будет выше нормы на десятки процентов в течение нескольких лет. Затемнение приведет к прекращению фотосинтеза, многие растения погибнут из-за недостатка света, что вызовет нарушения в цепях питания в экологических системах. Снижение температуры вызовет гибель зерновых культур, ибо, как известно, летом при наличии заморозков посевы пшеницы гибнут уже при 5°С, а рис и сорго не образуют семян при 15°С. Кукуруза очень чувствительна к температуре ниже 10°С.

Поскольку 30% площади суши на средних широтах получит дозу проникающей радиации не менее 50 рад, то при губительной дозе для человека в 300—500 рад за 48 часов это приведет к гибели еще около 1 млрд. людей. Кроме того, сажа и пыль будут поглощать УФ-излучение, что приведет к повреждению иммунной системы, роговицы глаз и к катаракте у людей, остающихся в живых.

Воздействие низких температур, пожаров, радиации, сильных ветров будет сопровождаться распадом экологических систем, размножением вредителей лесов, полей, садов и огородов. Животные погибнут от голода, морозов и отсутствия воды. В результате миграции животных начнется распространение болезней человека и животных. В конечном итоге действие радиоактивных веществ приведет к гибели животного мира. Особенно чувствительными окажутся тропические леса, ибо у растений тропиков и субтропиков нет периода покоя, позволяющего им выдерживать температуры даже выше нуля.

Четкие представления о последствиях ядерной войны являются мощным фактором дальнейшей активизации антивоенных движений, борьбы за выживание человечества в ядерный век.

6. Охрана природы и среды обитания

Современные представления об охране природы и среды обитания человека основаны на идеях В.И. Вернадского об охране биосферы. В современной трактовке речь идет, прежде всего, о предупреждении изменений в количествах лучистой энергии, достигающей Земли, о поддержании достаточной устойчивости химических циклов, протекающих в биосфере.

Охрана природы и среды обитания человека в наше время приобрела общественный интерес. Можно сказать, что взаимоотношение общества с окружающей средой — это одна из наиболее глобальных проблем человечества.

Понятия «охрана природы» и «охрана среды обитания человека» сложны и обширны. Охрана природы — это комплекс государственных, общественных и научных мероприятий, направленных на рациональное природопользование, восстановление и умножение естественных ресурсов Земли. Охрана среды обитания человека — это охрана всего того, что непосредственно окружает человека, что составляет экологические системы, членом которых он является, а также недопущение в среде обитания факторов, губительно действующих на его здоровье. Эти понятия во многом сходны между собой, ибо их стратегический смысл состоит в нахождении путей регулирования взаимоотношений человеческого общества и природы (живой и неживой). Тем не менее эти понятия имеют и существенные различия.

Охранять природу — это не означает сохранять ее в нетронутом виде, ибо человек и дальше будет эксплуатировать природные ресурсы, причем по мере роста народонаселения еще в большей мере.

Речь идет об охране, которая должна обеспечить установление равновесия между использованием и восстановлением, а также непрерывное поддержание мощности биосферы. Поэтому главные задачи всех природоохранительных мероприятий заключаются в том, чтобы не нарушать количественные и качественные характеристики круговорота веществ и трансформации энергии, т.е. не изменять исторически сложившуюся биопродуктивность биосферы.

Напротив, должны осуществляться систематические разработки мероприятий, направленных на интенсификацию биологических круговоротов в естественных и искусственных экосистемах, т.е. на резкое повышение производительности Земли. В частности, необходимо создание подлинно научных основ увеличения плотности зеленого покрова Земли с большой долей видов, для которых характерен высокий коэффициент полезного действия фотосинтеза. С другой стороны, важно сохранять редкие и исчезающие виды животных.

Наконец, нельзя наполнять среду радиационными и химическими загрязнителями, вредными для животных и растений. Итак, генеральная линия в охране природы есть охрана и воспроизведение живого мира.

Говоря об охране среды обитания человека, важно помнить, что будучи составным компонентом биосферы, человек в ходе исторического развития адаптировался к своему окружению, но не биологически, а социально с помощью технических и культурных средств. Поэтому, как живое существо, человек открыт для действия на него загрязнителей среды обитания. Поддерживать гигиену среды обитания — это значит поддерживать экологическое равновесие между человеком и его окружением в целях обеспечения благополучия человека, его здоровья. Поэтому в наше время возникли вопросы не только определения ущерба, уже причиненного генофонду человека, но и определения путей защиты наследственного материала человека от факторов, порождаемых его деятельностью в биосфере.

Решение названных вопросов в разных странах идет по нескольким направлениям, главные из которых заключаются в создании чувствительных тест-систем для оценки мутагенной активности загрязнителей окружающей среды и в поисках подходов в эффективному слежению за генетическими процессами, протекающими в популяциях человека (разработка основ генетического мониторинга популяций). Смысл и необходимость этих работ заключается в интегральном анализе динамики генетического груза, т.е. в изучении и оценке частоты мутаций генов и хромосом, индуцированных загрязнителями, по отношению к мутациям, исторически накопленным в процессе эволюции, эволюционно сложившимся системам сбалансированного генетического полиморфизма.

В настоящее время для регистрации изменений в генетической структуре популяций человека используют несколько подходов.

Один из этих подходов связан с учетом популяционных характеристик. В качестве показателя оценки генетического груза используют медико-статистические показатели (частота спонтанных абортов, частота мертворождений, вес детей при рождении, вероятность выживания, соотношение полов, частота заболеваний врожденных и приобретенных, показатели роста и развития детей).

Другой подход связан с учетом «сторожевых» фенотипов, т.е. с определением фенотипов, возникающих благодаря определенным мутациям, унаследованным доминантно. Примером такого фенотипа является вывих тазобедренного сустава. В отобранной популяции ведется слежение за динамикой частоты интересующих фенотипов среди новорожденных, например, за динамикой частоты вывиха тазобедренного сустава.

Еще один подход связан с использованием электрофореза белков сыворотки крови и эритроцитов для выявления мутантных белков на основе их подвижности в электрическом поле, поскольку причиной изменения заряда белковой молекулы может быть замена или вставка одного или нескольких азотистых оснований в гене. Наконец, используют подход, связанный с цитогенетическим исследованием спонтанно абортированных эмбрионов, мертворожденных, живорожденных и детей с врожденными пороками.

Несомненно, что часть ущерба, уже нанесенного биосфере, невозможно восстановить. Поэтому перед человечеством стоит задача создать условия сбалансированного развития. Важнейшая задача заключается в создании таких технологий, которые бы исключали полностью или ограничивали выброс в окружающую среду загрязнителей.

Речь идет о таких технологиях как в промышленности, так и сельском хозяйстве.

Во многих странах имеются национальные программы охраны природы и окружающей среды. Эти программы основаны на учете специфики местных условий. Однако какие бы меры не принимались в отдельных странах, они не могут обеспечить решения всего комплекса вопросов, связанных с загрязнением атмосферы, открытых морей, Мирового океана. Поскольку биосфера неделима политически, а загрязнение среды обитания человека влечет за собой глобальные последствия, огромное значение имеет международное сотрудничество в области охраны природы и среды обитания человека.

Помимо решений вопросов на правительственных уровнях, большое значение имеет деятельность Международного союза охраны природы, Всемирного фонда охраны природы, а также специализированных учреждений ООН.

5 июня — Всемирный день охраны окружающей среды. В 1986г. ВОЗ приняла Глобальную стратегию сохранения здоровья для всех к 2000г. В соответствии с этой стратегией непременным условием для выполнения поставленных задач является сохранение и упрочнение мира на Земле. В наше время речь идет о сохранении жизни на Земле.

Список использованных источников

Агаджанян Н.А., Торшин В.И. Экология человека. М.: Изд. фирма «Круг».

2016

Дре Ф. Экология. М.: Атомиздат. 2016

Красная книга РФ. М.: Лесная промышленность. 2012

Реймерс Н.Ф. Охрана природы и окружающей среды: словарь и справочник. М.: Просвещение. 2015

Реймерс Н.Ф. Экология. М.: Россия молодая. 2017