Билет №18. Биогенный круговорот азота, его антропогенное нарушение и биоиндикация.

сновная часть атомов азота находится в воздухе, который на 78 % состоит из одноимённого газа (N2). Однако растения не могут усваивать его непосредственно; для этого азот должен входить в состав ионов аммония (NH4+) или нитрата (NH3-). К счастью, некоторые бактерии и ряд сине-зелёных водорослей способны превращать газообразный азот в аммонийную форму в ходе так называемой азотфиксации. Важнейшую роль среди азотфиксирующих организмов играют бактерии, живущие в клубеньках на корнях бобовых растений. По пищевым цепям органический азот передаётся от бобовых другим организмам экосистемы. Когда в процессе клеточного дыхания белки и другие содержащие азот органические соединения расщепляются, азот выделяется в среду главным образом в аммонийной форме. Некоторые бактерии могут переводить ее в нитратную форму. Важно то, что обе эти формы могут усваиваться любыми растениями. В результате азот совершает круговорот как минеральный биоген. Однако такая минерализация обратима, поскольку другие почвенные бактерии постепенно превращают нитраты снова в газообразный азот. Правда, часть его окисляется в воздухе во время грозовых разрядов и поступает в почву с дождевой водой, но таким способом его фиксируется в 10 раз меньше, чем с помощью бактерий.

Таким образом, все естественные экосистемы зависят от азотфиксирующих организмов, поэтому крайне важна роль бактерий в клубеньках бобовых растений. Это семейство включает огромное число представителей – от клевера до тропических деревьев и пустынных кустарников. В каждой крупной наземной экосистеме -–от дождевых экваториальных лесов до тундры – есть характерные для неё виды бобовых. Интересно отметить, что бобовые обычно первыми заселяют гари – на них процесс реколонизации идёт значительно медленнее из-за недостатка в почве доступного азота. В водных экосистемах круговорот азота выглядит сходным образом, но здесь в роли основных азотфиксаторов выступают сине-зелёные водоросли.

· Если на полях плохое рыхление то образуется бескислородная среда и N2 улетучивается, что не выгодно для человека

· Если почвы кислые, то в место N2 в воздух поступает NO2. Следствием я вляются кислотные дожди.

O2 + N2O = O2 + NO2 + H2O к-та

· В 20 веке активно стали использовать нефть. При сжигании образуется NO2, SO4. Отсюда кислотные дожди

Билет №19. Роль биогенных элементов в жизни организмов.

Химические элементы, которые состав живых организмов и при этом выполняют биологические функции, называются биогенными. Даже те из них, которые содержатся в клетках в ничтожно малых количествах, ничем не могут быть заменены и совершенно необходимы для жизни. Химические элементы входят в состав клеток в виде ионов и молекул неорганических и органических веществ. Важнейшие неорганические вещества в клетке — вода и минеральные соли, важнейшие органические вещества — углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты

1. Углеводы – органические соединения, содержащие в своем составе углерод, водород и кислород. Они подразделяются на простые (моносахариды) и сложные (полисахариды). Углеводы являются основным источником энергии всех форм клеточной деятельности. Они участвуют в построении прочных тканей растений (в частности, целлюлозы) и играют роль запасных питательных веществ в организмах. Углеводы являются первичным продуктом фотосинтеза зеленых растений.

2. Липиды – это жироподобные вещества, плохо растворимые в воде (состоят из атомов углерода и водорода). Липиды участвуют в построении клеточных перегородок (мембран), плохо проводят тепло, выполняя тем самым защитную функцию. Кроме того, липиды являются запасными питательными веществами.

3. Белки представляют собой сочетание протеиногенных аминокислот (20 штук) и на 30-50% состоят из АК. Белки имеют большие размеры, являясь по своей сути макромолекулами. Белки выполняют роль естественных катализаторов протекания химических процессов. В состав белков также входят металлы, такие как железо, магний, марганец.

4. Нуклеиновые кислоты (НК) формируют ядро клетки. Различают 2 основных вида НК: ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота и РНК - рибонуклеиновая кислота. НК регулируют процесс синтеза, осуществляют передачу наследственной информации из поколения в поколение.

Билет №21 «преимущества биомониторинга перед хим методами контроля за окружающей средой»

Биологический мониторинг (биомониторинг) - это система наблюдений, оценки и прогноза различных изменений в биоте, вызванных факторами антропогенного происхождения. Преимущества биомониторинга заключаются в следующем: комплексная оценка воздействия всех антропогенных факторов; выявление биологических эффектов, независимо от концентрации загрязняющих веществ, нормируемых по величине ПДК; возможность определения совместного действия на живые организмы различных загрязняющих веществ; определение скорости и направления неблагоприятных изменений в окружающей среде.

Финансовые затраты на проведение биомониторинга значительно меньше, чем на проведение химического анализа. Биологический мониторинг проводится по показателям состояния живых объектов на разных уровнях их организации - суборганизменном, организменном и популяционном.

Для мониторинга выбирается тот уровень организации, который дает наиболее чувствительный и легко контролируемый индикационный показатель.

Химические методы, давая возможность с высокой точностью определять концентрации загрязняющих веществ, тем не менее не позволяют оценить реальные биологические эффекты как отдельных веществ, так и их комплексов и, тем более, продуктов их трансформации.

Химические методы контроля окружающей среды. Методы анализа, используемые в современных лабораториях, занимающихся контролем окружающей среды, включают множество вариантов оптических методов анализа (например, спектрофотометрию в видимой, УФ - и ИК-областях), методов разделения на основе газовой, жидкостной и тонкослойной хроматографии, радиометрических методов (применяются ограниченно, так как требуют специально подготовленных лабораторий) и электрохимических методов, таких как вольтамперометрия и ионометрия, имеющих определенные преимущества с точки зрения низкой стоимости и необходимых расходов на эксплуатацию приборов.

Билет №22 «видовое разнообразие как принцип нормального функционирования экосистем»

Видовой состав входящих в сообщество организмов и количественное соотношение видовых популяций является одним из важнейших показателей структуры сообщества. При изучении сообществ наиболее многочисленным видам уделяется основное внимание, однако редкие виды часто являются лучшими индикаторами состояния среды; общее число видов является показателем условий существования живых организмов. Видовое разнообразие - признак экологического разнообразия: чем больше видов, тем больше экологических ниш, т.е. выше богатство среды. Видовое разнообразие связано с устойчивостью сообщества по той простой причине, что чем больше разнообразие, тем шире возможности адаптации сообщества к изменившимся условиям, будь это изменение климата или других факторов.[3]

Объяснение этого состоит в том, что наличие разных организмов с разными требованиями к среде повышает приспособленность сообщества в целом. Так, редкие в данный момент виды при изменившихся условиях могут оказаться в выигрышном положении и стать многочисленными, и наоборот. Таким образом, за счет видового разнообразия сообщество обеспечивает себе как бы резерв выживаемости на случай неожиданных изменений условий жизни.

В нормальном состоянии любой экосистеме присуще устойчивое состояние, называемое гомеостазом, характеризующееся динамическим равновесием между рождаемостью и смертностью, потреблением и освобождением вещества и энергии. Например, если в системе "олень—волк" численность оленя растет, то за счет этого и волк может увеличить свою численность, не давая оленям слишком быстро размножиться и истребить слишком большое количество растений-продуцентов.

Таким образом, экосистемы сопротивляются воздействию нарушениям их стабильности. Система тем надежнее и стабильнее, чем больше имеется возможностей для экологического дублирования, чем шире пищевая сеть.

В связи с этим наиболее ранимы и требуют особой осторожности при хозяйственном освоении экосистемы районов Севера, где из-за суровых климатических условий видовое разнообразие в десятки раз беднее, чем в умеренных и жарких широтах. Например, на арктических островах видовое богатство высших растений не превышает 50— 100 видов на 100 квадратных километров, а в тропиках на такой же площади можно обнаружить более 1000 видов.

Так как в природе постоянно возникают большие и маленькие неприятности и проблемы, то для непрерывного протекания процесса эволюции она должна иметь громадный состав видов, с которыми можно было бы экспериментировать, находя и развивая в них путем естественного отбора те качества, которые помогают преодолевать периодически возникающие кризисы.

Кроме того, от видового богатства системы зависит и многообразие экологических факторов, действующих в ней. При этом действие некоторых из них направлено в противоположные стороны, и если факторов достаточно много, то по закону больших чисел их влияния взаимопогашаются и не выводят систему из равновесия. Например, уменьшение количества лисиц будет способствовать росту количества мышей, а увеличение сов — снижению этого роста.

В то же время человек прямо (убивая) или косвенно (ухудшая качество природной среды) уничтожая многие виды животных и растений, может полностью подорвать стабильность биосферы.

Билет №23 «Природное регулирование размера популяций организмов»

Численность и биомасса популяций обычно подвержены большим колебаниям во времени. Изменение численности, биомассы организмов во времени называют динамикой популяций. Существуют два основных типа динамики численности – периодическая и непериодическая. Периодические колебания происходят главным образом под влиянием закономерно изменяющихся факторов среды. У некоторых видов млекопитающих, птиц, рыб, насекомых наблюдаются четкие периодические изменения численности, то есть ее вспышки чередуются со спадами. Однако численность особей в популяциях может колебаться во времени без определенной периодичности. Большое влияние на популяции, такие их свойства как продолжительность жизни особей, плодовитость, которые определяют численность, оказывают температура, освещенность, влажность. Действие многих факторов становится более жестким с увеличением плотности популяций: это – трофические условия, в том числе обостряющиеся конкуренция, хищничество, паразитизм, заболеваемость. Почти всегда вызывают изменения численности популяций антропические воздействия: в сельском и лесном хозяйствах, при рыболовстве и других видах промысла, при разрушении местообитаний человек способствует уменьшению их численности; при охране каких-то видов, наоборот, их численность возрастает. Эти колебания («волны жизни») вызываются, таким образом, многими воздействиями со стороны как живой, так и неживой природы.

Динамика численности популяций складывается при взаимодействии основных популяционно-динамических процессов: 1) рождаемости, 2) смертности, 3) скорости роста, 4) иммиграции новых особей из других популяций, 5) эмиграции некоторых особей за пределы ареала данной популяции.

Рождаемость характеризует частоту появления новых особей. Под рождаемостью понимают количество особей (яиц, семян, эмбрионов), производимых в единицу времени в расчете на одну самку. Близкое к приведенному определение приводится А. М. Гиляровым: «рождаемость определяют как число особей (яиц, семян и т. д.), родившихся (отложенных, продуцированных) в популяции за некоторой промежуток времени». Различают максимальную (абсолютную, физиологическую, предельно-возможную) рождаемость и реализуемую (экологическую) рождаемость, или просто рождаемость.

Максимальная рождаемость – это образование теоретически максимально возможного количества новых особей в идеальных условиях, когда отсутствуют лимитирующие факторы и размножение ограничивается лишь физиологическими факторами. У каждой данной популяции эта величина постоянная, она характеризует динамическую, эволюционно приобретенную силу вида. Реализуемая рождаемость – это увеличение популяции за счет появления на свет новых особей при фактических, реальных условиях среды. Данная величина может варьировать в зависимости от физических, химических и прочих условий среды.

Показатель смертности характеризует гибель особей в популяциях. По определению, смертность – это количество особей, умирающих в единицу времени в расчете на особь в популяции. Учитываются все погибшие особи независимо от причины смертности (старость, элиминация хищниками, болезнями и т. д.) Существует некая теоретическая максимальная смертность – постоянная величина, которая характеризует гибель особей в идеальных условиях, когда популяция не подвергается воздействию лимитирующих факторов. Практически более важна реализуемая (экологическая) смертность, т. е. величина, которая подобно экологической рождаемости, зависит от реальных условий биотической и абиотической среды.

Представляет интерес величина, связанная со смертностью, обратная ей – выживаемость, т. е. число или доля выживших особей.

Разность между рождаемостью и смертностью есть некий результирующий параметр, который определяет реальную динамику численности у данной популяции. Популяция может находиться в состоянии динамического равновесия, если естественная убыль особей равна их возобновлению. Существенно то, что антропические воздействия на популяцию могут изменять как рождаемость, так и смертность (например, увеличивать смертность особей данного вида).

Величина прироста популяции за единицу времени в расчете на одну особь представляет скорость роста популяции. По мере роста популяции происходит снижение доступных каждой особи ресурсов среды. При истощении ресурсов рост популяции тормозится и в конце концов прекращается. Популяции разных видов обладают удивительной способностью к быстрому росту численности. Этот вопрос рассматривали Аристотель (4 в. до н.э.), Макиавелли (около 1525 г.), позднее Бюффон (1751 г.). Ч. Дарвин обратил внимание на многочисленные случаи поразительно быстрого размножения некоторых животных в природном состоянии, когда условия особенно благоприятствовали. Он распространил идею геометрического роста, когда численность популяции растет в геометрической прогрессии (в этом случае график увеличения числа особей в ряде поколений представляет собой экспоненциальную, или логарифмическую, кривую) на все виды животных и растений, положив постулат о высоком репродуктивном потенциале видов в основу своей теории естественного отбора.

Заслуживает внимания рост народонаселения в глобальном масштабе. В ранние исторические времена прирост населения за поколение (20 лет) составлял 1,2%, в 17 в. он повысился до 7,2%, к 1930 г. достиг – 36%, причем в наше время нет признаков того, что кривая роста приближается к какому-то уровню насыщения. Поскольку с увеличением числа людей на нашей планете также увеличивается потребление продуктов питания, использование естественных источников сырья, загрязнение среды обитания и т. д., все изменения в динамике численности человечества обусловливают вышеназванные явления. Ограничение роста населения является важным шансом выживания человечества (Г. А. Галковская, 2001).

Кроме рассмотренных характеристик – рождаемости, смертности, скорости роста на величину популяцию влияют эмиграция, иммиграция и общая миграция.

Миграция – это особый случай перемещения особей, когда почти вся популяция на время уходит из определенного района. Сезонные или суточные миграции позволяют организмам использовать оптимальные условия среды в таких местах, где они не могли бы жить постоянно. Перебираясь с места на место вслед за перемещением оптимальных условий, такие виды могут сохранять высокую активность, поддерживать большую плотность популяции и в те периоды, когда немигрирующие виды переходят в неактивное состояние (в состояние диапаузы или зимней спячки).

В динамике численности популяций большую роль играют межвидовые отношения, что издавно вызывало у экологов большой интерес и способствовало разработке теорий взаимоотношений конкурирующих видов, хищника и жертвы, паразита и хозяина. Широкую известность получили работы А. Лотки (1923, 1925 гг.) и В. Вольтерры (1926 г.). Вольтерра проанализировал взаимоотношения между конкурирующими видами, разработал математическую модель в системе жертва – хищник. Пользуясь уравнениями, предложенными Вольтеррой, можно определять условия, при которых устанавливается равновесие между плотностями популяций жертвы и хищника, то есть система жертва – хищник становится стабильной. Лотка предложила математическую модель взаимодействия животных в системе паразит – хозяин, показала, что истребление особей хозяина паразитами является функцией численности не только паразитов, но и хозяев. Лотка сделала заключение, что той или иной численности хозяина соответствует определенная численность паразита. По мере возрастания плотности популяции хозяина увеличивается плотность популяции паразита. Повышение же численности паразита приводит к снижению численности хозяина, а последнее опять снижает количество паразитов. И так волна за волной происходят периодические колебания численности популяций хозяина и паразита с небольшими отклонениями от какого-то оптимального уровня. Здесь действует динамическая саморегулирующаяся система. Модель взаимодействия популяций в системе паразит – хозяин соответствует модели взаимодействия хищника и его жертвы. Уравнения, предложенные Лоткой и Вольтеррой можно использовать для моделирования взаимоотношений в указанных системах, определять, какой должна быть плотность каждой популяции, чтобы другая не имела возможности увеличивать свою численность.

Изучение хищничества, паразитизма как факторов, регулирующих численность популяций, влияющих на их величину, показывает, что отрицательное влияние хищников, паразитов обычно не велико, если оба вида – хищник и его жертва, хозяин и паразит – существуют совместно уже на протяжении длительного времени. Известно много ярких примеров, касающихся паразитизма. Так, у коренных жителей Африки выработался относительный иммунитет к малярии, и это обеспечивает выживание как паразита – малярийного плазмодия, так и хозяина – человека. Трипаносома, вызывающая сонную болезнь у человека, живет в крови своих основных хозяев – крупных травоядных животных, не причиняя им вреда. Заражение человека лентецами в обычных условиях не приводит к смерти. Однако в любом из этих случаев установившееся тонкое равновесие может быть нарушено в результате каких-то изменений в экосистеме или иных событий. Серьезные последствия возникают, в частности, когда хищник и жертва (или паразит и хозяин) встречаются друг с другом впервые. Если экосистема, в которую они входят, будет выведена из равновесия, хищники и паразиты могут вызвать резкие изменения численности популяции.

В природе действуют другие факторы, влияющие на динамику численности популяций. Связано это со следующими причинами. Для некоторых видов решающее значение имеют физические факторы. Численность особей в популяциях могут лимитировать такие факторы, как нехватка природных ресурсов (например, пищи или мест, пригодных для размножения), недоступность этих ресурсов и недостаток времени для размножения (короткий влажный сезон, короткий день, например в Арктике).

У крупных организмов, жизненные циклы которых довольно продолжительны, размеры популяций определяются не столько физической средой, сколько взаимодействием между отдельными особями или взаимоотношениями их с конкурентами, хищниками и паразитами.

Из внутренних факторов на величину популяции могут оказывать влияние различные физиологические или поведенческие факторы, а иногда те и другие одновременно. Если, например, плотность популяции какого-нибудь грызуна чрезмерно возрастает, то животные чаще встречаются между собой. Возникают драки, условия жизни в целом становятся более напряженными («стрессовыми»), и это ведет к увеличению надпочечников; связанное с этим нарушение гормонального баланса отрицательно сказывается на спаривании и размножении; кроме того, при скученности возрастает смертность.

Любой фактор как регулятор численности популяций – лимитирующий или благоприятный – является либо независимым от плотности (НП), либо зависимым от плотности (ЗП). Влияние факторов ЗП может быть прямым, то есть усиливаться с увеличением плотности, и обратным. Факторы, для которых характерно прямое влияние, еще называют «управляющими плотностью» (в частности, это один из главных механизмов, предотвращающих перенаселение). Как правило, НП – абиотические факторы (климатические, химические, физические и т. п.), ЗП – биотические факторы (конкуренция, паразиты, патогенные организмы, влияние эндо- и экзометаболитов). НП-факторы могут вызывать драматические изменения плотности, смещение уровня емкости экологической ниши. Роль НП-факторов более выражена в нестабильных системах, а ЗП-факторов – в стабильных. Одновременное действие НП- и ЗП-факторов обнаружено при изучении динамики популяций моллюска Acmaea, живущего на камнях в литоральной зоне морей. Динамика популяции этого моллюска регулируется, главным образом, ее плотностью (ЗП). Однако известны случаи увеличения смертности после суровых зим (НП), когда разрушается субстрат, на котором оседают моллюски, что является основной причиной смертности.

Таким образом, колебания численности природных популяций («волны жизни»), их величина обусловлены сложным взаимодействием факторов – естественного темпа размножения того или иного вида, «сопротивления» среды, отношениями между хищником и жертвой, паразитом и хозяином, физиологической и поведенческой реакцией на перенаселенность и др., в целом, многими воздействиями со стороны как живой, так и неживой природы. В итоге, регуляция численности популяций осуществляется факторами внешней среды и внутрипопуляционными факторами, преимущественно через рождаемость и смертность, представляя собой результат взаимодействия их со всеми условиями существования.

«Волны жизни» резко осложняют планирование эксплуатации данной популяции, поскольку ежегодное изъятие (отстрел, промысел) одного и того же числа особей может означать, что в один год будет изъято, скажем, лишь 5% особей, а в другой год, когда численность популяции упадет в 10 раз, – 50% особей от существующего состава популяции. Кроме того, колебания численности призывают человека увеличить минимальную теоретически допустимую численность популяции.

Популяции животных, растений, грибов и микроорганизмов обладают способностью к естественному регулированию численности, то есть при более или менее значительных колебаниях они остаются в состоянии динамического равновесия, на каком-то уровне между верхним и нижним пределами. Это обеспечивается действием специфических приспособительных механизмов, основанных на том, что поступление энергии, необходимой для выживания популяции, не превышает некоторого уровня и обеспечивает, таким образом, размеры данной популяции. Способность популяции поддерживать устойчивость благодаря способности к саморегулированию через собственные регулирующие механизмы называется гомеостазом популяции. Так, рост численности популяции приводит к истощению запасов пищи, за которым следует снижение рождаемости организмов, увеличение их смертности (отрицательные связи), а, следовательно, и снижение численности. Последнее, в свою очередь, увеличивает запасы пищи, что вызывает рост рождаемости и численности популяции (положительные связи). Равновесное состояние популяции (состояние динамического равновесия) является кратковременным и достигается за счет быстрого чередования положительных и отрицательных обратных связей.

Для оптимизации отношений человека с природой важно учитывать численность популяции, принимать во внимание то, что на численность популяции может повлиять истощение нужных ей ресурсов из-за сокращения кормовой базы, конкуренция со стороны домашних животных, вытаптывание почвы и ухудшение ее аэрации, снижение кислорода в воде при загрязнении и евтрофировании. Человек может искусственно регулировать численность популяций, например, животных путем запрещения охоты или ограничения ее сроков на некоторые виды, ввода лицензий. Это уже дало положительные результаты – предотвратило от истребления ряд видов, в частности, лося, бобра, зубра. Ведя борьбу с вредителями сельского и лесного хозяйств, опасными для жизни видами, человек ограничивает численность их популяций.

В целом, численность популяции, скорость ее роста (в более общем смысле – скорость ее изменения, динамика численности) являются весьма лабильными параметрами, высокочувствительными к воздействию абиотических, биотических, антропических факторов. Поэтому человек должен хорошо представлять все особенности той популяции, которая эксплуатируется, чтобы обеспечить воспроизводство, стабильное длительное ее существование. Сложность этой задачи увеличивается в силу многочисленных связей между популяциями разных видов, населяющих одну территорию.