КАМЕНСКИЙ А.А.,
СОКОЛОВА Н.А.,
ТИТОВ С.А.
Окончание. См. No 16, 17, 18, 19, 20, 22/2000
Ответы на вопросы по биологии
(11-й класс)
125. Объясните, как черты строения и образ жизни
обезьяноподобных предков предопределили развитие признаков вида человек
разумный.
По физиологическому и биохимическому строению человек
обнаруживает большое сходство с человекообразными обезьянами (длинные
конечности, выступающий нос, бинокулярное зрение, анатомические сходства
легких, почек, четыре группы крови, близкий хромосомный набор и т.д.).
Обезьяноподобные предки человека обладали признаками, которые,
совершенствуясь, давали преимущества в естественном отборе. Развитие
хватательной функции передней конечности (противостояние первого пальца
всем остальным), изначально в определенной мере присущее всем приматам,
способствовало возникновению прямохождения. Характерный для приматов
хорошо развитый головной мозг (рис. 39) стимулировал усложнение
поведения с тем, чтобы именно оно давало преимущества в борьбе за
существование этим физически более слабым животным. Наконец,
существенным фактором в появлении человека явилось то обстоятельство,
что его предки вели стадный образ жизни (рис. 40), их сообщество было
сложно организовано, это способствовало развитию средств коммуникации и
в конечном счете привело к возникновению речи.
Рис. 39. Головной мозг обезьян и человека (вид
справа)
Наблюдается некоторое сходство в строении мозга, постепенное усиление
различий в размере, количестве и расположении извилин:
1 – цепкохвостая обезьяна коата; 2 – павиан гамадрил; 3 – быстрый
гиббон; 4 – орангутан; 5 – обыкновенный шимпанзе; 6 – современный
человек
Рис. 40. Стадная жизнь древнейших людей
126. Укажите причины, по которым неандертальцы были
вытеснены кроманьонцами. Охарактеризуйте современный этап эволюции
человека.
Рис.41. Филогенетический ряд форм, отражающий этапы
антропогенеза:
1 – дриопитек; 2 – ориопитек; 3 – рамапитек; 4 – ранний австралопитек; 5
– парантроп; 6 – поздний австралопитек; 7 – человек умелый (Homo habilis);
8 – архантроп (Homo erectus); 9 – поздний неандерталец (Homo
neandertaliensis); 10 – кроманьонец (Homo sapiens)
Неандертальцы (древние люди) появились около 300 тыс.
лет назад и за время своего существования успели создать довольно
высокую культуру. Но примерно 150–200 тыс. лет спустя на эволюционной
сцене появился кроманьонец (человек разумный, или современный человек),
что в итоге привело к исчезновению неандертальцев (рис. 41). Причины
преимущества современного человека перед неандертальцем, вероятно, те
же, что и причины преимущества человекоподобных обезьян перед остальными
млекопитающими. Кроманьонцы уступали своим конкурентам в физической силе
и развитии материальной культуры, но зато обладали большей гибкостью
кисти, строением гортани, способствовавшим лучшему развитию
членораздельной речи, и рядом других признаков, обеспечивающих более
быстрое интеллектуальное развитие. Вытеснив неандертальцев, кроманьонцы
заимствовали и использовали некоторые элементы их культуры.
На современном этапе эволюции человека резко ослабло действие
естественного отбора. Однако полностью отрицать его существование в
человеческом обществе неправильно. Так, например, гены людей, умерших до
достижения брачного возраста или оказавшихся бесплодными, устраняются из
последующих поколений. В человеческом обществе действует как
стабилизирующий отбор, поддерживающий стабильность внешнего облика
человека и его физиологических функций, так и движущий, обеспечивающий
адаптацию к изменениям внешней среды, которые в последнее время вызваны
главным образом антропогенными воздействиями. Принципиальным фактором в
современной эволюции человека оказывается и то, что он в отличие от
других животных способен воспринимать уже готовые знания, накопленные
предыдущими поколениями.
127. Какие основные расы выделяют внутри вида
человек разумный? Приведите доказательства принадлежности всех
человеческих рас одному виду.
Рис. 42. Представители трех основных человеческих
рас:
1 – европеоид; 2 – негроид; 3 – монголоид
По современным представлениям в пределах вида человек
разумный выделяют три расы (рис. 42): европеоидную (коренное население
Европы, Западной и Южной Азии и Северной Африки), монголоидную
(Центральная и Восточная Азия, Индонезия, Сибирь, Америка) и негроидную
(Центральная и Южная Африка, Австралия), каждая из которых в свою
очередь подразделяется на целый ряд более мелких рас (рис. 43). Однако
некоторые ученые считают, что существует пять рас и выделяют из
негроидной австралоидную, а из монголоидной – американскую расы.
Рис.43. Современные расы человека
Принадлежность всех рас к одному виду доказывается
одинаковым строением их черепа, мозга, стопы, наличием одних и тех же
групп крови и, главное, одинаковым количеством и строением хромосом, что
дает возможность различным расам свободно скрещиваться и давать
полноценное потомство.
128. Охарактеризуйте абиотические факторы, раскройте
их влияние на окружающую среду.
Факторы среды, воздействующие на организмы,
называются экологическими факторами. Абиотические экологические факторы
не связаны с деятельностью живых организмов, а определяются воздействием
неживой среды. К ним относят содержащиеся в окружающей среде воду, газы
и минеральные вещества, свет, температуру, давление и движение воздуха,
рельеф местности. Для любого вида живых организмов существует оптимум по
каждому фактору, при котором обеспечиваются наиболее благоприятные
условия для его существования. Отклонение от этого оптимума приводит к
угнетению жизнедеятельности вида или популяции, снижению скорости
размножения и увеличения смертности. При отклонении сверх допустимых
пределов популяция прекращает свое существование, т.к. погибают либо все
входящие в нее организмы, либо настолько значительная их часть, что
популяция перестает самовоспроизводиться.
129. Какие факторы среды можно отнести к биотическим
и какова их взаимосвязь в природе?
Биотическими называют экологические факторы,
связанные с деятельностью живых организмов: бактерий, грибов, растений,
животных и человека. Последние в силу их особой важности выделяют в
отдельную группу и называют антропогенными. Организмы в экологической
системе могут быть связаны общностью использования энергии и питательных
веществ, которые через цепи питания трансформируются и распределяются по
экосистеме. Между популяциями, входящими в экосистему, существуют
биотические взаимодействия. Основными из них являются конкуренция,
хищничество, паразитизм, комменсализм и симбиоз. В тех случаях, когда
одна популяция получает выгоду за счет другой, имеет место хищничество
либо паразитизм. Хищничеством называются такие отношения, при которых
особи одного вида поедают особей другого (рис. 44). В нормальных
условиях хищники уничтожают лишь незначительную часть популяции. В
противном случае число хищников из-за недостатка пищи снижается.
Рис.44. Морская звезда, поедающая моллюска
При паразитизме один из видов получает из организма
другого питательные вещества, принося ему вред, но не вызывая его
немедленной гибели (рис. 45).
Рис.45. Гриб сапролегния, паразитирующий на рыбе
При конкуренции взаимодействие является отрицательным
для обеих популяций. Многие виды животных и растений, особенно близкие
по своим экологическим особенностям, могут конкурировать за пищу, воду
или свет. В результате конкуренции один вид может полностью вытеснить
другой из экосистемы.
Форма взаимодействия, при которой один вид извлекает пользу из соседства
с другим, а для последнего такое соседство безразлично, называется
комменсализмом.
Наконец, сотрудничество популяций, приносящее пользу обоим партнерам,
называется симбиозом. Среди симбиотических отношений различают:
кооперацию (рис. 46); мутуализм, когда присутствие партнеров обязательно
(рис. 47); комменсализм, когда один вид получает пользу от сожительства,
а другому это безразлично (рис. 48).
Рис.46. Птицы-чистильщики (скворцы на зебре)
Рис. 47. Лишайник – симбиоз водоросли и гриба
Рис. 48. Эпифитная орхидея с воздушными корнями на
стволе дерева
130. Охарактеризуйте антропогенные факторы,
раскройте их влияние на окружающую среду.
Хозяйственная деятельность человека является
мощнейшим фактором воздействия на среду обитания живых организмов,
причем сила этого воздействия постоянно нарастает и во многих случаях
значительно превышает силу воздействия других факторов. В XX в.,
особенно в последние десятилетия, антропогенные факторы значительно
нарушают естественные связи в биосфере и угрожают самому ее
существованию. К числу наиболее интенсивно действующих антропогенных
факторов можно отнести загрязнение атмосферы, водоемов и поверхности
суши отходами промышленного производства, вырубку лесов, оказывающую
влияние на состояние почвы и режим водоемов, интенсивный выпас скота,
приводящий к нарушению биотических связей в луговых экосистемах,
распашку земель, строительство гидротехнических сооружений и ряд других.
Под влиянием деятельности человека происходит быстрая смена биоценозов,
в результате численность многих видов животных и растений сокращается
вплоть до их полного исчезновения.
131. Что такое ограничивающие факторы и каковы
механизмы их действия?
Возможность существования организма в данном месте
зависит от целого комплекса условий. Степень благополучия этой
жизнедеятельности определяется недостатком или, наоборот, избытком тех
факторов, уровень которых может оказаться близким к пределам возможного
для данного организма. Такие факторы называются ограничивающими
(лимитирующими).
В различных ситуациях лимитирующие факторы различны. Допустим, в озере
главным ограничивающим фактором был недостаток углекислоты из-за
недостаточного ее поступления из разлагающегося органического вещества.
При этом все остальные факторы (свет, азот, фосфор и т.д.) имелись в
избытке, т.е. не были ограничивающими. Если во время бури в воде
растворится дополнительное количество углекислого газа, то
жизнедеятельность водных растений будет зависеть от других факторов.
Возможно, они начнут активнее потреблять азот и исчерпают его запасы, в
результате чего именно он станет ограничивающим фактором. Даже если все
факторы, кроме одного, находятся в пределах оптимума, переход
единственного фактора за критическое значение может привести к гибели
популяции.
133. Дайте характеристику понятиям «биоценоз»,
«биогеоценоз». Какими показателями характеризуются биоценозы? Приведите
примеры.
Биоценоз — совокупность животных, растений, грибов и
микроорганизмов, совместно населяющих участок суши или водоема. Биоценоз
является составной частью биогеоценоза — однородного участка земной
поверхности с определенным составом живых (биоценоз) и косных (приземный
слой атмосферы, солнечная энергия, почва и др.) компонентов,
объединенных обменом вещества и энергии в единый природный комплекс
(рис. 49). Понятие «биогеоценоз» практически равнозначно понятию
«экологическая система» (экосистема), которая определяется как
совокупность совместно обитающих организмов и условий их существования,
находящихся во взаимной связи друг с другом и образующих систему
взаимообусловленных биотических и абиотических явлений и процессов.
Рис. 49. Биогеоценоз тропического леса
Основными показателями биоценоза являются видовое
разнообразие (количество входящих в него видов), плотность популяции
(количество особей данного вида на единицу площади или объема), биомасса
(суммарная масса всех живых организмов, обитающих в биоценозе) и
продуктивность (масса органических веществ, производимых биоценозом в
единицу времени).
Например, взяв пробы из водоема и определив все обитающие там виды живых
организмов, можно оценить его видовое разнообразие.
Зная численность каждого вида и разделив ее на объем водоема, мы получим
значение плотности популяции этого вида. Оценив среднюю массу организма,
принадлежащего к каждому виду, можно умножить ее на численность этого
вида и, сложив показатели по всем видам, получить величину,
характеризующую биомассу этого водоема. А подсчитав, на какую величину
возрастает биомасса водоема за единицу времени, мы определим его
продуктивность.
134. Раскройте факторы, определяющие устойчивость
биоценозов.
Биоценозы, так же как и популяции и организмы,
способны к самоподдержанию и саморегулированию. Способность
биологических систем сохранять равновесие и противостоять изменениям
называется гомеостазом. Биоценоз считается устойчивым, если при
значительных изменениях внешних воздействий его продуктивность, биомасса
и видовое разнообразие изменяются на небольшую величину. Природные,
эволюционно сложившиеся биоценозы обычно устойчивы, т.е. способны
выдерживать изменения, создаваемые внешними воздействиями. Факторами,
способствующими устойчивости биоценозов, являются его видовое
разнообразие и устойчивость отдельных популяций, входящих в его состав.
Антропогенные факторы, резко меняющие видовой состав биоценоза и среду
его обитания, могут нарушить устойчивость и привести к перестройке
биоценоза. Искусственные биоценозы (агроценозы) являются крайне
неустойчивыми из-за малого видового разнообразия (поле пшеницы или
водоем, густо заселенный карпом) и не могут существовать в течение
сколько-нибудь продолжительного времени без постоянного вмешательства
человека.
135. Укажите, какие факторы определяют численность
вида в биогеоценозе. Какие закономерности между размерами и численностью
организмов наблюдаются в биогеоценозе? Приведите примеры.
Численность вида (вернее, популяции) в биоценозе
определяется разницей между ее продуктивностью и смертностью. С
увеличением этой разницы численность возрастает, а с уменьшением —
снижается. Оба показателя зависят от многих экологических факторов. В
экосистемах с простой структурой, подверженных сильным и меняющимся
физическим воздействиям, большее значение имеют абиотические факторы, а
в сложных системах или в отсутствие сильных физических воздействий —
биотические. В устойчивой экосистеме средняя численность популяции в
течение многих лет постоянна, но вокруг этого среднего уровня происходят
колебания, так называемые флуктуации, которые возникают либо в
результате изменений среды, либо в результате взаимодействий особей
популяции между собой или с организмами других популяций. Флуктуации
могут быть сезонными (например, увеличение численности в период
размножения и постепенное ее снижение до начала следующего периода) или
годичными (увеличение численности в годы с благоприятными условиями
жизни и ее снижение при неблагоприятных климатических или других
условиях). Часто такое периодическое увеличение и снижение численности
происходит через довольно постоянные промежутки времени. Например,
популяционные циклы многих грызунов длятся обычно четыре года.
Повышение численности какой-либо популяции может быть связано с
увеличением количества корма, потребляемого данным видом, или с
уменьшением числа хищников или паразитов. Так, численность белки
повышается после большого урожая шишек хвойных деревьев, а численность
полевок снижается при интенсивном размножении лисиц. После того как
размножившийся хищник уменьшает популяцию жертвы, его численность
начинает снижаться из-за недостатка пищи, после чего численность жертвы
увеличивается ввиду малочисленности хищника (рис. 50). Так возникают
периодические колебания численности различных популяций. Иногда
наблюдаются внезапные вспышки численности какого-либо вида (саранча,
шелкопряд, лемминги). Причины таких вспышек не всегда ясны, но часто они
связаны с погодными условиями.
Рис. 50. Колебание численности особей в популяции
хищников и жертв.
Пунктирная линия: А – рысь, Б – волк, В – лисица; сплошная линия: заяц
беляк
Как правило, численность популяции тем выше, чем
мельче размеры тела составляющих ее организмов. Так, в лесу количество
травянистых растений значительно больше, чем кустов, а тех, в свою
очередь, больше, чем деревьев. На одном млекопитающем могут кормиться
тысячи паразитов, а на одного кита в океане приходятся миллионы
планктонных организмов.
136. Раскройте причины смены биоценозов и на
конкретном примере покажите, как она осуществляется.
Биоценозы (вернее, экосистемы) не остаются
неизменными. Как и живые организмы, они развиваются и эволюционируют.
Примером развития экосистемы может служить заселение обнаженной горной
породы на недавно образовавшемся вулканическом острове. Первыми там
поселяются неприхотливые водоросли и лишайники, образующие пионерные
экосистемы. По мере их отмирания и разложения, а также выветривания
горной породы возникает почва, которую заселяют высшие растения, в
первую очередь мхи и папоротники. В дальнейшем создаются условия для
появления цветковых растений – трав, кустарников и деревьев. По мере
развития экосистемы первопоселенцы постепенно вытесняются новыми видами,
более устойчивыми в борьбе за существование. Например, под кронами
лиственных деревьев поселяются медленнорастущие и теневыносливые
хвойные. Когда они становятся выше лиственных, то, закрывая им доступ к
свету, вытесняют эти светолюбивые растения. Такая смена одних видов
другими называется экологической сукцессией. Смена растительности
сопровождается и сменой входящих в экосистему видов животных, сначала
первичных потребителей, питающихся определенными видами растений, а
затем потребителей, представляющих более высокие уровни в цепи питания.
По мере развития экосистемы число составляющих ее видов возрастает, а
связи между ними становятся сложными и разветвленными. Это приводит ко
все более полному использованию ресурсов среды и к увеличению
устойчивости экосистемы. В конце-концов возникает устойчивая (зрелая)
экосистема, находящаяся в равновесии со средой и способная сохраняться в
течение длительного времени в относительно неизменном виде. В природе
сукцессия может длиться тысячелетия, но в отдельных случаях, например,
после пожаров или при зарастании водоемов, смена экосистем происходит на
протяжении жизни одного поколения людей.
Несмотря на относительную устойчивость зрелых экосистем, они тоже могут
заменяться другими. Это происходит, например, при резком изменении
климата, а в последнее время – под влиянием деятельности человека
(вырубка лесов, осушение болот, распашка земель, строительство городов и
поселков и т.д.).
137. Сравните биогеоценоз и агроценоз. Раскройте
пути повышения продуктивности агроценоза.
Агроценозами называются искусственные биоценозы,
создаваемые человеком для своих целей путем посева или посадки и
дальнейшего культивирования возделываемых растений, а также территории,
используемые для интенсивного выпаса домашних животных. В настоящее
время агроценозами занято около 10% суши. Хотя в агроценозе, как и в
природных экосистемах, существуют продуценты, консументы и редуценты,
образующие типичные трофические сети, между этими двумя типами сообществ
существуют довольно большие различия. Одним из главных является то, что
в первых явно преобладает один (в полях) или очень небольшое количество
(в садах и парках) видов растений. Соответственно, в них снижено видовое
разнообразие животных, т.к. здесь могут обитать только виды, питающиеся
определенными растениями. Не имея биологических конкурентов, эти
животные интенсивно размножаются и становятся вредителями, угрожающими
существованию агроценоза. Кроме того, человек, собирая урожай, изымает
из агроценозов большую часть продукции, которая не поступает в детритные
цепи питания. В результате этого почва обедняется минеральными
веществами, необходимыми для жизнедеятельности растений. Следовательно,
для сохранения агроценоза необходимо вмешательство человека.
В агроценозах действует в основном искусственный отбор, направленный на
максимальную продуктивность растений, нужных человеку. Таким образом
агроценозы в отличие от природных экосистем не являются
саморегулирующимися системами и регулируются человеком. Задачей такой
регуляции является повышение продуктивности агроценоза. Для этого
орошаются засушливые и осушаются переувлажненные земли, уничтожаются
сорняки и поедающие урожай животные, вносятся удобрения. Все это создает
преимущества только для культивируемых растений.
В отличие от природной экосистемы агроценоз неустойчив. Если его
постоянно не поддерживать, он быстро разрушится, т.к. культурные
растения не выдержат конкуренции с дикорастущими и будут ими вытеснены.
138. Опишите характер связей между организмами в
экологической системе.
В состав экосистемы всегда входит много видов
животных, растений, грибов и бактерий, каждый из которых представлен
здесь популяцией. Все живые организмы испытывают воздействие со стороны
других организмов как своего, так и чужих видов. В пределах популяции
между организмами существуют как положительные взаимодействия, т.е.
сотрудничество, без которого популяция не может существовать, так и
отрицательные, проявляющиеся в конкуренции и внутривидовой борьбе. Также
и взаимодействия между различными популяциями могут быть как
положительными, так и отрицательными. В некоторых случаях взаимодействие
оказывается положительным для обеих популяций (мутуализм, симбиоз),
иногда положительным для одной и отрицательным для другой (хищничество,
паразитизм), отрицательным для обеих (конкуренция) или положительным для
одной и безразличной для другой (комменсализм). Совокупность всех
взаимодействий между организмами определяет биотические факторы,
действующие в экосистеме.
139. Охарактеризуйте связи между
организмами-производителями, потребителями и разрушителями и раскройте
их значение.
Экосистема представляет собой живую систему, и
поэтому для ее существования необходим постоянный приток энергии.
Единственным источником энергии для жизни на Земле является солнечный
свет. Но энергию солнечного света могут непосредственно использовать
только автотрофные фотосинтетики – растения и синезеленые водоросли,
которые называются производителями, или продуцентами. Продуценты
потребляют около 1% падающей на Землю солнечной энергии и превращают ее
в энергию органических соединений. Продуцентами питаются травоядные
животные, а также паразитирующие на растениях грибы и другие растения.
Эти организмы называются первичными потребителями (консументами первого
порядка). Их, в свою очередь, поедают вторичные потребители (консументы
второго порядка), которыми могут питаться консументы третьего порядка.
Такая последовательность представляет собой цепь питания (трофическую
цепь), точнее, один из ее видов, называемый пастбищной цепью, или цепью
выедания. Каждое из звеньев этой цепи называется трофическим уровнем.
Таким образом продуценты являются первым трофическим уровнем, первичные
консументы — вторым и т.д. Например, нектаром цветков (продуцент, первый
уровень) питаются мухи (первичный консумент, второй уровень), их поедают
насекомоядные птицы (консумент второго порядка, третий уровень), а их, в
свою очередь, — хищные птицы (консумент третьего порядка, четвертый
уровень).
Второй тип трофических цепей носит название детритных, или цепей
разложения. Детритом называются тела погибших животных и растений и их
прижизненные выделения. Они еще содержат достаточное количество энергии
и веществ, которые используются, во-первых, детритофагами (животные,
питающиеся падалью, жуки-навозники и т.д.), а во-вторых, редуцентами —
грибами и бактериями, разлагающими органические вещества. В итоге
деятельности детритной цепи в экосистеме восстанавливается запас
неорганических веществ, необходимых растениям.
Обычно организмы, входящие в какую-либо пищевую цепь, входят также и в
состав других. Так, например, птица может съесть растительноядную муху и
в этом случае она будет консументом второго порядка. Но она может съесть
и хищного паука, и тогда ее следует считать консументом третьего
порядка. Всеядные животные являются одновременно консументами первого,
второго, а иногда и третьего порядков. Можно привести и более сложные
примеры. Комар, питающийся кровью человека и хищных животных, находится
на очень высоком трофическом уровне. Но комарами питается болотное
растение росянка, которая, таким образом, представляет собой и
продуцент, и консумент высокого порядка. Соединение многих трофических
цепей образует пищевую цепь экосистемы, а значительные изменения в любом
из ее звеньев неизбежно отразятся на состоянии экосистемы в целом.
140. Охарактеризуйте явления конкуренции,
хищничества, паразитизма и симбиоза как формы биотических связей.
Приведите примеры.
Воздействие одной популяции на другую в пределах
одной экосистемы может быть нейтральным, положительным или
отрицательным. Положительные воздействия на популяцию приводят к
увеличению ее численности, а отрицательные — к уменьшению. Случай, когда
обе популяции оказывают друг на друга нейтральное воздействие, т.е.
когда взаимодействие между ними отсутствует, называется нейтрализмом и
встречается довольно редко. Хищничеством называются отношения, при
которых особи одного вида питаются особями другого (см. ответ на вопрос
129).
При паразитизме один из видов получает из организма другого питательные
вещества, принося ему вред, но не вызывая немедленной гибели. Паразитами
могут быть представители всех четырех царств (бактерии, грибы, растения
и животные). Различают зкзо- и эндопаразитов. Первые паразитируют на
поверхности тела хозяина (вши, комары, клещи). Вторые обитают внутри
хозяина (вирусы, бактерии, паразитические черви).
Типичным примером, когда взаимодействие является отрицательным для обеих
популяций, является конкуренция. Многие виды животных и растений,
особенно близкие по своим экологическим особенностям, могут
конкурировать за пищу, воду или свет. В результате конкуренции один вид
может полностью вытеснить другой из экосистемы.
Взаимодействие, при котором один вид извлекает пользу из соседства с
другим, а для последнего такое соседство безразлично, называется
комменсализмом. Комменсализм характерен для детритных цепей питания,
когда детритофаги и редуценты поедают трупы и выделения других животных.
Наконец, сотрудничество особей разных видов, приносящее пользу обоим
партнерам, называется симбиозом (мутуализмом). В кишечнике многих
млекопитающих, в том числе и человека, обитают бактерии, расщепляющие
клетчатку, для чего у хозяина нет соответствующих ферментов. Характерным
примером симбиоза служит микориза — сотрудничество грибов и деревьев.
Грибница снабжает дерево водой и минеральными веществами, получая взамен
синтезируемые растением органические соединения.
141. Раскройте сущность правила экологической
пирамиды и проиллюстрируйте его примерами.
Автотрофные организмы поглощают около 1% падающей на
Землю солнечной энергии и используют ее для синтеза органических
соединений, составляющих основу биомассы этих организмов. Далеко не вся
эта биомасса и, следовательно, не вся запасенная энергия может быть
употреблена животными второго трофического уровня: часть растений
погибнет, не будучи съеденными, часть энергии рассеется в виде теплоты и
т.д. Поэтому первичных консументов, как правило, значительно меньше, чем
продуцентов. Соответственно потребителей второго порядка меньше, чем
потребителей первого порядка, и т.д. Например, на 1 га луга обитает
несколько миллионов растений, около миллиона растительноядных насекомых,
несколько сотен тысяч хищных насекомых и пауков и не более десятка птиц.
Таким образом, образуется пирамида численности, основание которой в
миллион раз шире, чем вершина.
Однако в некоторых случаях пирамида численности оказывается
перевернутой. Например, на одном большом дереве могут обитать и
кормиться тысячи насекомых. В данном случае на первом трофическом уровне
(в основании пирамиды) будет всего одна особь, а на втором – во много
раз больше. Для того чтобы получить правильную, не перевернутую,
пирамиду, надо учитывать не количество растений и животных на каждом
уровне, а их суммарную биомассу, т.е. общую массу всех организмов
каждого уровня. Тогда окажется, что масса единственного организма —
продуцента – во много раз превышает массу всех питающихся на нем мелких
организмов. Такая пирамида биомассы в отличие от пирамиды численности
почти никогда не бывает перевернутой.
142. Каково значение гетеротрофных и автотрофных
организмов в биологических системах?
Все живые организмы и вообще все живые системы в
процессе своей жизнедеятельности потребляют и рассеивают энергию. Без
постоянного поступления свободной энергии извне ни одна живая система не
может существовать в течение сколько-нибудь продолжительного времени.
Практически единственным источником такой свободной энергии для Земли
является солнечный свет. Организмы, способные с помощью фотосинтеза
усваивать солнечную энергию и синтезировать органические вещества из
неорганических, составляют основную массу автотрофных (в переводе —
самостоятельно питающихся) организмов. Другая группа автотрофных
организмов — хемосинтетические бактерии, получающие энергию в результате
некоторых химических реакций, немногочисленна и не играет принципиальной
роли в биосфере.
К гетеротрофным организмам, способным питаться только органическими
веществами, относятся животные, грибы и большая часть бактерий. Они
получают энергию и питательные вещества, поедая либо растения, либо
другие гетеротрофные организмы. Среди гетеротрофных организмов особую
роль в биологических системах играют редуценты, которые в процессе своей
жизнедеятельности превращают органические вещества в неорганические.
Дело в том, что растениям помимо энергии необходимы минеральные
вещества, а усваивать органические соединения они не в состоянии.
Поэтому без гетеротрофных организмов, особенно редуцентов, растения рано
или поздно исчерпали бы все минеральные запасы почвы и прекратили свое
существование.
Еще одной важной функцией взаимодействия автотрофных и гетеротрофных
организмов является поддержание постоянства газового состава атмосферы.
Растения активно потребляют углекислый газ, из которого они строят
глюкозу, и в большом количестве выделяют свободный кислород. Если бы на
Земле существовали исключительно автотрофные организмы, запасы
углекислоты очень скоро бы истощились, а количество кислорода в
атмосфере достигло опасного избытка. Присутствие гетеротрофных
организмов обеспечивает протекание этого процесса в обратном
направлении: они потребляют кислород и выделяют углекислый газ,
благодаря чему в атмосфере поддерживается оптимальное для живых существ
равновесие.
143. Раскройте понятие «биосфера» и укажите ее
функции.
Биосферой называется оболочка Земли, состав,
структура и обмен энергии которой определяется деятельностью живых
организмов. Термин «биосфера» ввел в 1875 г. Э.Зюсс, понимавший ее как
тонкую пленку жизни на земной поверхности, в значительной мере
определяющую «лик Земли», хотя первое упоминание о ней встречается еще у
Ламарка. Целостное учение о биосфере разработал В.И. Вернадский.
Биосфера занимает пространство от верхних слоев атмосферы (20–25 км) до
2–3 км ниже уровня суши и 1–2 км ниже дна океана. Вернадский выделил в
биосфере несколько типов вещества, в том числе: живое вещество, т.е.
совокупное вещество всех живых организмов; биогенное вещество,
создаваемое и перерабатываемое живыми организмами (уголь, нефть,
известняк и т.д.); косное вещество, образующееся в процессах, где живые
организмы не участвуют; биокосное вещество, которое создается
одновременно живыми организмами и неорганическими процессами (например,
почва).
Главную роль в теории биосферы Вернадского играет представление о живом
веществе. Составляя ничтожную часть массы планеты (около одной
миллионной) и даже массы всей биосферы (около одной десятитысячной), оно
является мощнейшим геохимическим и энергетическим фактором. Благодаря
деятельности живого вещества изменился состав атмосферы, в частности в
результате процесса фотосинтеза в ней появился в значительных
количествах кислород (газовая функция живого вещества). Способность
живого вещества активно поглощать из внешней среды и накапливать
определенные элементы приводит к образованию скоплений углерода,
кальция, кремния и др., которые иначе бы равномерно рассеялись по
поверхности Земли (концентрационная функция).
Окислительно-восстановительная функция живого вещества заключается в его
способности осуществлять окислительные и восстановительные химические
реакции, почти невозможные в неживой природе. Наконец, благодаря живому
веществу в биосфере постоянно осуществляется круговорот энергии и многих
химических элементов.
144. Дайте характеристику оболочкам биосферы, в
которых обитают живые организмы.
На нашей планете выделяют несколько геосфер. Внешняя
твердая оболочка Земли называется литосферой. Ее верхний слой образован
осадочными породами с гранитом, а нижний — базальтом. Мировой океан
вместе с морями, заливами и внутренними водами (реки, озера) образует
гидросферу. Над поверхностью литосферы и гидросферы на высоту до 100 км
поднимается атмосфера. Ее нижний слой, в среднем до 15 км, называется
тропосферой, а верхний — стратосферой. На высоте 15–35 км от поверхности
Земли расположен озоновый экран, задерживающий губительные для жизни
радиоактивные излучения и частично ультрафиолетовые лучи.
Биосфера занимает пространство от озонового экрана, где на высоте до 20
км встречаются споры бактерий и грибов до глубины более 3 км под земной
поверхностью и около 2 км под дном океана. Там обитают анаэробные
бактерии (особенно много их в водах нефтяных месторождений). Самая
большая концентрация биомассы сосредоточена на границах раздела геосфер,
т.е. в поверхностных и прибрежных водах океана и на поверхности суши.
Это объясняется тем, что источником энергии биосферы является солнечный
свет и автотрофные, а за ними и гетеротрофные организмы в основном
заселяют места, где солнечная радиация наиболее интенсивна.
145. Охарактеризуйте биомассу поверхности суши,
почвы и мирового океана.
На поверхности суши подавляющую часть биомассы
составляют растения – около 90% всей биомассы биосферы и около 97% всей
биомассы суши. Общее количество биомассы увеличивается по направлению от
полюсов к экватору. Среди гетеротрофных организмов суши самой высокой
является биомасса почвенных микроорганизмов, а затем обитающих в почве
беспозвоночных, составляющая от 200 до нескольких тысяч кг/га. Для
сравнения: биомасса млекопитающих и птиц, как правило, не превышает 15
кг/га. Большая биомасса почвы в сочетании с высоким видовым
разнообразием обеспечивает сложность почвенных экосистем, разнообразие
цепей питания, где наряду с микроорганизмами значительное место
принадлежит личинкам насекомых и особенно дождевым червям. Многие
почвенные бактерии играют важную роль в биосферном круговороте азота.
Для экосистем Мирового океана, наоборот, характерна относительно малая
биомасса растений, которые представлены в морях исключительно
водорослями. Основную массу составляет фитопланктон — микроскопические,
обычно одноклеточные водоросли, являющиеся главным продуцентом в Мировом
океане. Консументы в океане представлены зоопланктоном (животными и
бактериями, передвигающимися с течением воды), нектоном (свободно
плавающими крупными животными) и бентосом (прикрепленными или ползающими
по дну живыми организмами). Биомасса животных в Мировом океане
приблизительно в 20 раз больше, чем биомасса растений. Особенно велика
она в прибрежной зоне. Общая биомасса Мирового океана примерно в 1000
раз меньше, чем биомасса суши.
146, 147. Каково значение круговорота веществ в
природе для существования биосферы? Расскажите о роли растений, животных
и микроорганизмов в круговороте веществ и использовании солнечной
энергии.
Функционирующее в биосфере живое вещество постоянно
осуществляет круговорот веществ и превращение энергии. Согласно
Вернадскому, живое вещество осуществляет в биосфере три основные
функции. Газовая функция состоит в том, что зеленые растения выделяют
при фотосинтезе кислород, а при дыхании – углекислый газ. Животные также
выделяют углекислый газ, а многие бактерии образуют различные газы,
восстанавливая азот, сероводород и др. Без деятельности живых организмов
состав атмосферы был бы совершенно иным. Концентрационная функция
осуществляется благодаря тому, что живые организмы захватывают
необходимые им химические элементы и накапливают их в местах своего
обитания. Окислительно-восстановительная функция проявляется в окислении
и восстановлении химических веществ в воде и почве, в результате чего
образуются отложения различных руд, бокситов, известняков и др. Эта
функция в основном осуществляется бактериями.
Круговорот веществ, как и все происходящие в природе процессы, требует
постоянного притока энергии. Основу биологического круговорота,
обеспечивающего существование жизни, составляют солнечная энергия и
улавливающий ее хлорофилл зеленых растений. В круговороте веществ и
энергии участвует каждый живой организм, поглощая из внешней среды одни
вещества и выделяя в нее другие. Биогеоценозы, состоящие из большого
числа видов живых организмов и косных компонентов среды, осуществляют
циклы, по которым передвигаются атомы различных химических элементов
(биогенная миграция атомов). Так, растения потребляют из внешней среды
углекислый газ, воду и минеральные вещества и выделяют в нее кислород.
Животные вдыхают выделенный растениями кислород, а поедая их, усваивают
синтезированные из воды и углекислого газа органические вещества и
выделяют воду и углекислый газ. После гибели тела животных разлагаются
при участии грибов и бактерий. При этом образуется дополнительное
количество углекислого газа, а органические вещества превращаются в
минеральные, которые попадают в почву, где усваиваются растениями. Атомы
основных химических элементов постоянно совершают миграцию через многие
живые организмы и косную среду. Различают два вида биогенной миграции
атомов: миграция первого рода, более интенсивная, производится
микроорганизмами, а миграция второго рода — многоклеточными организмами.
Без миграции атомов жизнь на Земле не могла бы существовать: растения
без животных и бактерий вскоре исчерпали бы запасы углекислого газа и
минеральных веществ, а животные без растений лишились бы источника
энергии и кислорода.
148. Дайте характеристику круговорота химических
элементов (С, N, Р, S) в природе и покажите влияние на эти процессы
деятельности человека.
В неживой природе углерод содержится в основном в
виде углекислого газа, угольной кислоты и ее нерастворимых солей, чаще
всего карбоната кальция (мел, известняк). Часть углерода в виде
карбонатов может надолго выйти из круговорота. Живые организмы создают
скопления углерода, которые используются человеком в качестве
энергетических ресурсов (нефть, каменный уголь, торф, древесина). До
начала индустриальной деятельности человека эти запасы, особенно нефть и
уголь, были почти исключены из круговорота. Теперь же их использование
приводит к активному выбросу углерода в атмосферу с выхлопными газами
машин, дымом индустриальных предприятий и т.п.
Азот наряду с углеродом, кислородом и водородом является одним из
главных элементов, входящих в состав живых организмов. Его содержание в
атмосфере составляет 79%. Основная масса атмосферного азота поступает в
воду и почву благодаря жизнедеятельности микроорганизмов — бактерий и
водорослей. Наиболее активно поглощают азот клубеньковые бактерии,
живущие в корнях бобовых растений. Затем азот через корни растений
проникает в их стебли и листья, где включается в состав растительных
белков. В тела животных азот поступает в результате поедания ими
растений. После смерти животных и растений белки разлагаются редуцентами
с выделением аммиака, а затем в результате жизнедеятельности некоторых
бактерий — в нитраты. Аммиак и нитраты могут усваиваться растениями, а
часть нитратов, тоже под действием бактерий, восстанавливается до
газообразного азота, который выделяется в атмосферу. Цикл замыкается.
Фосфор по сравнению с углеродом и азотом — элемент относительно редкий.
В организме его содержится значительно меньше, но поскольку он входит в
состав нуклеиновых кислот и АТФ, жизнь без него невозможна. В природе
существуют фосфорсодержащие породы, образовавшиеся из экскрементов и
костей древних животных. В результате эрозии они превращаются в
растворенные в воде фосфаты, которые поглощаются растениями. В организм
животных фосфор так же, как азот и углерод, поступает в результате
поедания растений. Останки и экскременты организмов подвергаются
действию фосфатредуцирующих бактерий и снова превращаются в растворенные
фосфаты. Кости морских животных частично могут пополнять запас
фосфорсодержащих пород в Мировом океане.
Основную роль в обмене серы играют специализированные микроорганизмы,
между которыми существует разделение труда – каждый вид осуществляет
определенную реакцию окисления или восстановления. Наиболее доступная
форма серы — сульфат, из которого растения получают серу для включения в
состав своих белков. После этого часть серы попадает в организм
животных, а затем через редуцентов возвращается в почву и воду.
Круговороты азота и серы все больше подвергаются влиянию промышленного
загрязнения воздуха. В природных условиях окислы этих элементов
присутствуют в среде обитания животных и растений в очень малых
концентрациях. Сжигание топлива сильно увеличивает содержание этих
окислов в воздухе, особенно в городах, и тогда они становятся опасными
для экосистем.
149. Каковы последствия хозяйственной деятельности
человека для окружающей среды? Приведите примеры.
Деятельность человека, особенно в последнее столетие,
начала резко изменять состояние экосистем и биосферы в целом, что
приводит к загрязнению атмосферы, воды и почвы, разрушению тысячелетиями
складывающихся экосистем, исчезновению многих видов растений и животных.
Сжигание в огромных количествах органического топлива приводит к
снижению содержания кислорода и увеличению концентрации углекислого газа
в атмосфере. Накопление углекислоты вызывает парниковый эффект,
приводящий к повышению средней температуры у поверхности Земли, что
может способствовать расширению площади пустынь, таянию ледников и
повышению уровня Мирового океана. В последнее время отмечено ослабление
озонового слоя атмосферы из-за оксида азота и фреонов.
В результате выброса промышленных и транспортных отходов (сернистого
газа, углерода, тяжелых металлов), чрезмерного использования удобрений,
сбросов отходов животноводства и пр. возникает загрязнение атмосферы и
водоемов. Особую опасность представляют кислотные дожди, являющиеся
результатом загрязнения воздуха сернистым газом и вызывающие гибель
лесов и обитателей водоемов. Резко отрицательное воздействие на водоемы
оказывает также бесконтрольное использование воды для
сельскохозяйственных и промышленных целей, строительство
гидросооружений, особенно гидроэлектростанций, мероприятия по орошению и
осушению земель. В результате этой деятельности погибло много малых рек
и даже такие крупные водоемы, как Аральское море.
Важную роль в происходящих биосферных процессах играет также разрушение
среды обитания многих видов животных и растений в результате вырубки
лесов, распашки степей и т.п. Следует понимать, что экосистемы и
биосфера в целом являются настолько тонко сбалансированными системами,
что иногда даже слабые воздействия способны нарушить сложившееся в них
равновесие. Вот почему ни одно строительство или хозяйственное
мероприятие не должно осуществляться без предварительной
квалифицированной экологической экспертизы.
150. Раскройте практическое значение экологических
знаний для различных сфер деятельности человека.
Еще несколько десятков лет назад казалось, что
природные ресурсы неисчерпаемы, а хозяйственная и промышленная
деятельность человека способна только улучшить состояние биосферы.
Состояние биосферы стало угрожающим. Задача нашего поколения состоит в
том, чтобы спасти живую природу от окончательной гибели и хоть в
какой-то мере исправить то, что было сделано до этого.
Для того чтобы предотвратить дальнейшее разрушение биосферы, требуется,
чтобы каждый человек обладал экологическим сознанием, т.е. понимал, что
состояние биосферы легко нарушить, но трудно восстановить и что биосфера
и производственная деятельность человека составляют единое целое.
Сохранение биосферы, а следовательно, и человека, возможно лишь при
переходе промышленности и сельского хозяйства к ресурсосберегающим
технологиям, включающим максимальное использование добываемых природных
ресурсов и отходов, получаемых в первичном производстве, овладение
чистыми источниками энергии (солнцем, ветром, приливами и отливами),
строгое ограничение загрязняющих выбросов. В сельском хозяйстве нельзя
допускать эрозии почв, которая возникала при старой системе
землепользования. Знания в области структуры экосистем и популяций
необходимо использовать для того, чтобы избегать любого вмешательства, в
результате которого многие виды могут сильно уменьшиться в численности,
а то и вообще исчезнуть. Для сохранения редких и исчезающих видов
следует создавать заповедники, где не только запрещена охота, но все
компоненты экосистемы сохраняються в неизменном виде.
|