Экология

Введение

Экология (от греческого «ойкос» - дом) выделилась в самостоятельный раздел биологии во второй половине XIX века. Современные определения экологии, отличаясь в деталях у разных авторов, сводятся к представлению о «биологической науке, изучающей организацию и функционирование надорганизменных систем различных уровней: популяций, биоценозов (сообществ), биогеоценозов (экосистем) и биосферы» Биологический энциклопедический словарь, Москва, 1986 г.. Постепенно связь экологии с эволюционным учением стала ослабевать, поскольку все более ясным становилось ее большое практическое значение. Этому способствовало и то, что в конце XIX - начале ХХ века внимание эволюционистов сосредоточивалось в наибольшей степени на механизмах появления признаков и их распространения в популяциях, на уточнении отдельных положений и правил эволюционного учения. Возникла новая биологическая наука - генетика, которая вначале казалась противоречащей дарвинизму. Лишь после серии работ российской генетической школы, С. С. Четверикова, Н. В. Тимофеева-Ресовского и других, опубликованных в 20-е годы, возникла возможность объединения дарвинизма с генетикой, показавшей наличие гена - материального носителя фундаментальных свойств живого, наследственности и изменчивости. Экология как наука о взаимодействии организмов и среды развивалась в значительной мере под влиянием потребностей практики. Главный показатель состояния вида - его численность. Понятно, что изучение факторов, влияющих на нее, давало не только понимание зависимости численности каждого изучаемого вида от конкретных условий, но и позволяло в необходимых случаях управлять численностью, а следовательно, эффективностью хозяйственного или иного использования вида. Наиболее заметные успехи экологии того периода связаны с медицинской зоологией. Изучение экологии промысловых рыб позволило оптимальным образом планировать работу рыболовных флотилий и перерабатывающих предприятий, что позволило, в свою очередь, не только увеличить добычу рыбы с минимальными потерями для воспроизводства, но и дало значительный экономический эффект. В результате изучения экологии пуганных зверей оказалось возможным планировать и регулировать охоту на них на основе прогнозов численности таким образом, чтобы сочетать максимальную эффективность добычи с устойчивым воспроизводством этих видов в природе. Изучение экологии насекомых, клещей, грызунов - вредителей сельского хозяйства - позволило развить биологические методы защиты растений и охраны урожая, определять оптимальные сроки и методы применения химических препаратов там, где без них не удается обойтись.

9. Экологические  группы растений  по отношению  к свету: 

Световой режим любого местообитания определяется интенсивностью прямого и рассеянного света, количеством света (годовой суммарной  радиацией), его спектральным составом, а также альбедо – отражательной  способностью поверхности, на которую  падает свет.

Перечисленные элементы светового  режима очень переменчивы и зависят  от географического положения, высоты над уровнем моря, от рельефа, состояния  атмосферы, характера земной поверхности, растительности, от времени суток, сезона года, солнечной активности и глобальных изменений в атмосфере.

У растений возникают различные  морфологические и физиологические  адаптации к световому режиму местообитаний.

По требованию к условиям освещения принято делить растения на следующие экологические группы:

1) светолюбивые (световые), или гелиофиты,  – растения открытых, постоянно хорошо освещаемых местообитаний;

2) тенелюбивые (теневые),или сциофиты,  – растения нижних ярусов тенистых лесов, пещер и глубоководные растения; они плохо переносят сильное освещение прямыми солнечными лучами;

3) теневыносливые, или факультативные гелиофиты, – могут переносить большее или меньшее затенение, но хорошо растут и на свету; они легче других растений перестраиваются под влиянием изменяющихся условий освещения.

Можно отметить некоторые  общие приспособительные особенности, свойственные растениям каждой экологической  группы.

Световые адаптации гелиофитов и сциофитов. Гелиофиты часто имеют побеги с укороченными междоузлиями, сильно ветвящиеся, нередко розеточные. Листья гелиофитов обычно мелкие или с рассеченной листовой пластинкой, с толстой наружной стенкой клеток эпидермы, нередко с восковым налетом или густым опущением, с большим числом устьиц на единицу площади, часто погруженных, с густой сетью жилок, с хорошо развитыми механическими тканями. У ряда растений листья фотометричные, т. е. повернуты ребром к полуденным лучам или могут менять положение своих частей в зависимости от высоты стояния Солнца. Так, у степного растения софоры листочки непарноперистосложного листа в жаркий день подняты вверх и сложены, у василька русского так же ведут себя сегменты перисторассеченного листа.

Оптический аппарат гелиофитов развит лучше, чем у сциофитов, имеет большую фотоактивную поверхность и приспособлен к более полному поглощению света. Обычно у них лист толще, клетки эпидермы и мезофилла мельче, палисадная паренхима двухслойная или многослойная (у некоторых саван-ных растений Западной Африки – до 10 слоев), нередко развита под верхней и нижней эпидермой. Мелкие хлоропласты с хорошо развитой гранальной структурой в большом числе (до 200 и более) расположены вдоль продольных стенок.

Хлорофилла на сухую массу  в листьях гелиофитов приходится меньше, но зато в них содержится больше пигментов I пигментной системы  и хлорофилла П₇₀₀. Отношение хлорофилла а к хлорофиллу b равно примерно 5: 1. Отсюда высокая фотосинтетическая способность гелиофитов. Компенсационная точка лежит в области более высокой освещенности. Интенсивность фотосинтеза достигает максимума при полном солнечном освещении. У особой группы растений – гелиофитов, у которых фиксация СО₂ идет путем С4-дикарбоновых кислот, световое насыщение фотосинтеза не достигается даже при самой сильной освещенности. Это растения из засушливых областей (пустынь, саванн). Особенно много С4-растений среди семейств мятликовых, осоковых, аизовых, портулаковых, амарантовых, маревых, гвоздичных, молочайных. Они способны к вторичной фиксации и реутилизации СО₂, освобождающегося при световом дыхании, и могут фотосинтезировать при высоких температурах и при закрытых устьицах, что часто наблюдается в жаркие часы дня.

Обычно С4-растения, особенно сахарный тростник и кукуруза, отличаются высокой продуктивностью.

Сциофиты – это растения, постоянно находящиеся в условиях сильного затенения. При освещенности 0,1–0,2 % могут расти только мхи и селягинеллы. Плауны довольствуются 0,25-0,5 % полного дневного света, а цветковые растения встречаются обычно там, где освещенность в пасмурные дни достигает не менее 0,5–1% (бегонии, недотрога, травы из семейств имбирные, мареновые, коммелиновые).

В северных широколиственных и темнохвойных лесах полог сомкнутого древостоя может пропускать всего 1–2% ФАР, изменяя ее спектральный состав. Сильнее всего поглощаются синие  и красные лучи, и пропускается относительно больше желто-зеленых лучей, дальних красных и инфракрасных. Слабая освещенность сочетается с повышенной влажностью воздуха и повышенным содержанием в нем СО₂, особенно у поверхности почвы. Сциофиты этих лесов – зеленые мхи, плауны, кислица обыкновенная, грушанки, майник двулистный и др.

Листья у сциофитов располагаются горизонтально, нередко хорошо выражена листовая мозаика. Листья темно-зеленые, более крупные и тонкие. Клетки эпидермы крупнее, но с более тонкими наружными стенками и тонкой кутикулой, часто содержат хлоропласты. Клетки мезофилла крупнее, палисадная паренхима однослойная или имеет нетипичное строение и состоит не из цилиндрических, а из трапециевидных клеток. Площадь жилок вдвое меньше, чем у листьев гелиофитов, число устьиц на единицу площади меньше. Хлоропласты крупные, но число их в клетках невелико.

У сциофитов по сравнению с гелиофитами меньше хлорофилла П₇₀₀. Отношение хлорофилла а к хлорофиллу b  равно примерно 3: 2. С меньшей интенсивностью протекают у них такие физиологические процессы, как транспирация, дыхание. Интенсивность фотосинтеза, быстро достигнув максимума, перестает возрастать при усилении освещенности, а на очень ярком свету может даже понизиться.

У лиственных теневыносливых древесных пород и кустарников (дуба черешчатого, липы сердцевидной, сирени обыкновенной и др.) листья, расположенные по периферии кроны, имеют структуру, сходную со структурой листьев гелиофитов, и называются световыми, а в глубине кроны – теневые листья с теневой структурой, сходной со структурой листьев сциофитов.

Факультативные гелиофиты, или теневыносливые растения, в зависимости от степени теневыносливости имеют приспособительные особенности, сближающие их то с гелиофитами, то со сциофитами. К этой группе можно отнести некоторые луговые растения, лесные травы и кустарники, растущие и в затененных участках леса, и на лесных полянах, опушках, вырубках. На осветленных местах они разрастаются часто сильнее, однако оптимальное использование ФАР у них происходит не при полном солнечном освещении.

У деревьев и кустарников  теневая или световая структура  листа часто определяется условиями  освещения предыдущего года, когда  закладываются почки: если закладка почек идет на свету, то формируется  световая структура, и наоборот.

Если в одном и том  же местообитании закономерно периодически изменяется световой режим, растения в  разные сезоны могут проявлять себя то, как светолюбивые, то как теневыносливые.

Весной в дубравах под  полог леса проникает 50–60 % солнечной радиации. Листья розеточных побегов сныти обыкновенной имеют световую структуру и отличаются высокой интенсивностью фотосинтеза. В это время они создают основную часть органического вещества годичной продукции. Листья сныти летней генерации, появляющиеся при развитом древесном пологе, под который проникает в среднем 3,5 % солнечной радиации, имеют типичную теневую структуру, и интенсивность фотосинтеза их значительно ниже, в 10–20 раз. Подобную двойственность по отношению к свету проявляет и осока волосистая, светолюбивая весной и теневыносливая летом. По-видимому, это свойственно и другим растениям дубравного широкотравья.

Отношение к световому  режиму меняется у растений и в  онтогенезе. Проростки и ювенильные растения многих луговых видов и древесных пород более теневыносливы, чем взрослые особи.

Иногда у растений меняются требования к световому режиму, когда  они оказываются в иных климатических  и эдафических условиях. Так, обычные теневыносливые растения хвойного леса – черника, седмичник европейский и некоторые другие – в тундре приобретают особенности гелиофитов.

Наиболее общая адаптация  растений к максимальному использованию  ФАР – пространственная ориентация листьев. При вертикальном расположении листьев, как, например, у многих злаков и осок, солнечный свет полнее поглощается  в утренние и вечерние часы –  при более низком стоянии солнца. При горизонтальной ориентации листьев  полнее используются лучи полуденного  солнца. При диффузном расположении листьев в разных плоскостях солнечная  радиация в течение дня утилизируется  наиболее полно. Обычно при этом листья нижнего яруса на побеге отклонены горизонтально, среднего направлены косо вверх, а верхнего располагаются почти вертикально.

Считают, что кукуруза является одной из самых высокопродуктивных сельскохозяйственных культур потому, что наряду с высоким КПД фотосинтеза  у нее наблюдается диффузное  расположение листьев, при котором  полнее поглощается ФАР.

На севере, где высота стояния солнца меньше, встречается  больше растений с вертикальным расположением  листьев, а на юге – с горизонтальным. Для получения большей биомассы выгодны также посевы и насаждения, в которых сочетаются растения с разной пространственной ориентацией листьев, причем в верхнем ярусе лучше иметь растения с вертикальным расположением листьев, которые полнее используют свет при низком стоянии солнца, не препятствуют прохождению полуденных лучей к расположенным в нижнем ярусе листьям с горизонтальной ориентацией.

42. Закон  последовательности прохождения  фаз развития.

ЗАКОН ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ПРОХОЖДЕНИЯ  ФАЗ РАЗВИТИЯ — фазы развития природной системы могут следовать лишь в эволюционно закрепленном (исторически, экологически обусловленном) порядке, обычно от простого к сложному, без выпадения промежуточных этапов (но, возможно, с очень быстрым их прохождением или эволюционно закрепленным отсутствием). Например, метаморфоз насекомых с полным превращением может идти лишь в направлении яйцо — личинка — куколка — имаго. Этот закон — логическое следствие диалектической историчности природы: ничто не может индивидуально сначала умереть, а потом лишь родиться или пройти развитие от старости к молодости. Это следует осознавать при рассмотрении экологических процессов типа сукцессии.

Закон последовательности прохождения  фаз развития нередко игнорируют, например, пытаясь вырастить хвойные лесные культуры там, где, согласно природному алгоритму смены пород, им должны предшествовать в сукцессионном процессе другие виды древесных растений. Иногда такие культуры удается вырастить, но они либо заболевают, либо оказываются столь не жизнестойкими, что погибают от малейших отклонений в среде жизни.

75. Запасы  воды на Земле. Водные ресурсы  РФ и Саратовской области. 

Роль воды для живых организмов.

Запасы воды на земле огромны. Она находится в морях и  океанах, в материковых ледниках и полярных льдах, в пресных водах  озер, рек и болот. Значительные количества воды содержатся в атмосфере воздуха  и горных породах, в живых организмах.

Объем воды на Земле громаден – 1400-1500 млн. кубических километров, что составляет 1/800 объема планеты Земля.

Этот объем распределяется следующим  образом: