Круговорот веществ в биосфере

Основные понятия.

Вид – основная структурная единица в системе живых организмов. Особи одного вида обладают наследственным сходством, свободно скрещиваются и дают плодовитое потомство.

Внешнее сходство не всегда является гарантией того, что живые организмы, относятся к одному виду. Например, у черных крыс 2 вида двойника с 38 и 42 хромосомами.

6 видов малярийного комара.

Популяция – совокупность особей одного вида, которая длительно существует, заселяет одну территорию, существует относительно обособленно от других особей того же вида. Популяция представляет собой форму существования вида, обеспечивающую приспособленность его к конкретным условиям среды.

Популяции характерны признаки уже не отдельной особи, а целой группы. Основные характеристики: плотность, численность, рождаемость, смертность, возрастной состав…

Биоценоз –совокупность организмов: растений (фитоценоз), животных (зооценоз), микроорганизмов (микробоценоз), населяющих определенное пространство (биотоп).

Биотоп характеризуется определенным сочетанием абиотических факторов: количеством приходящей солнечной радиации, температурой, влажностью, рН среды, физико-химическими свойствами почв, концентрацией минеральных веществ и др. Между биоценозом и биотопом, вместе образующих биогеоценоз, существует тес­ное взаимодействие, основанное на постоянном обмене веществом и энергией (рис. 1.1)

Рис. 1. 1- Схема биогеоценоза (по Г. А. Новикову 1979)

Системы взаимодействия живой и неживой природы получили название экологических систем или биогеоценозов.

Термин «биогеоценоз» был предложен В. Н. Сукачевым в конце 30-х гг.. В этой системе сово­купность абиотических и биотических компонентов имеет «... свою, особую специфику взаимодействий» и «определенный тип обмена веществом и энергией их между собой и другими явлениями природы и представляющее собой внутреннее про­тиворечивое диалектическое единство, находящееся в посто­янном движении, развитии» (Сукачев, 1971).Представления Сукачева в дальнейшем легли в основу биогеоценологии — целого научного направления в био­логии, занимающегося проблемами взаимодействия живых организмов между собой и с окружающей их абиотической. Однако несколько раньше, в 1935 г., английским ботани­ком А. Тенсли был введен термин «экосистема».

Экосистема, по А. Тенсли, — «совокупность комплексов организмов с ком­плексом физических факторов его окружения, т. е. факторов местообитания в широком смысле». Подобные определения есть и у многих других известных экологов, например, Ю. Одума, К. Вилли, Р. Уиттекера, К. Уатта.

Многие сторонники экосистемного подхода на Западе счи­тают термины «биогеоценоз» и «экосистема» — синонимами, в частности Ю. Одум (1975, 1986). В настоящее время эти понятия принято считать синонимами. Понятия "биогеоценоз" и "экосистема" до некоторой степени однозначны, но они не всегда совпадают по объему. Экосистема — широкое понятие, эко­система не связана с ограниченным участком земной поверхности. Это поня­тие применимо ко всем стабильным системам живых и неживых компонен­тов, где происходит внешний и внутренний круговорот веществ и энергии. Так, к экосистемам относятся капля воды с микроорганизмами, аквариум, горшок с цветами, аэротенк, биофильтр, космический корабль.

Однако ряд российских ученых не разделяют этого мне­ния, видя определенные отличия. Тем не менее, большинство не считают такие отличия существенными и ставят знак ра­венства между приведенными понятиями. Это тем более не­обходимо, что термин «экосистема» широко применяется в смежных науках, особенно природоохранного содержания.

Экологические системы состоят из экологических компонентов, которым относят:

- Растительный компонент (фитоценоз)

- Животный компонент (биоценоз)

- Микрорганизмы (микробоценоз)

- Гидросферу

- Атмосферу

- Литосферу

- Сегодня к этому перечню эко­логических компонентов прибавляют энергию и информацию.

Экологические компоненты обеспечивают круговорот веществ и законо­мерное прохождение потока энергии в биосфере. Энергия Солнца, попадая на растения, создает предпосылки для осуществления фотосинтеза и созда­ния органического вещества с привлечением газов атмосферы и минераль­ных веществ из почвосубстрата (рис.2).

Рис.1.2. - Поступление и распределение солнечной энергии в пределах биосферы Земли

Органическое вещество растений потребля­ется животными и паразитическими растениями и, как растительное, так и животное, оно вновь разлагается после смерти микроорганизмами (редуцентами) на простые соединения (соли и газы), возвращающиеся, таким образом, в атмосферу и почвогрунты. Так поддерживается равновесие в системе и происходит замыкание цикла круговоротов в природе. В то же время все эко­логические компоненты являются природными ресурсами, качество которых определяет качество жизни человека, а антропогенное нарушение взаимодей­ствий между ними может это качество снизить. В реальных экосистемах кру­говорот обычно бывает незамкнутым, так как часть веществ уходит за преде­лы экосистемы, а часть поступает извне. Но в целом принцип круговорота в природе сохраняется. Более простые экосистемы объединены в общую пла­нетарную экосистему (биосферу), в которой круговорот веществ проявляется в полной мере — жизнь на Земле возникла миллиарды лет назад, и если бы не было замкнутого потока необходимых для жизни веществ, их запасы дав­но исчерпались бы и жизнь прекратилась.

Выделяют

- Микроэкосистемы (ствол гниющего дерева)

- Мезоэкостистемы (лес, пруд, озеро)

- Макроэкосистемы (океан, континент)

- Глобальную экосистему (Земля)

Классификация экосистем по среде обитания: наземные (тундра, тайга, пустыня…), пресноводные (летнические – стоячие воды, лотические – текущие воды, заболоченные угодья), морские (открытый океан, воды континентального шельфа, бухты, устья рек…).

Экосистемы сложились в процессе длительной эволюции, они являются слаженным, устойчивым механизмом, который путем саморегуляции противостоит изменениям в окружающей среде.

Устойчивость экосистемы – ее способность противостоять колебаниям внешних факторов. Например, количество осадков уменьшается на 50%, при этом продуктивность растений на 25%, численность растительноядных животных – на 10%. Происходит затухание колебаний по мере продвижения по пищевым (трофическим) цепям. Если засуха будет продолжаться длительное время будет происходить постепенное замена одних видов живых организмов на другие.

Агроэкосистема – искусственно создана человеком, неустойчивая, регулярно поддерживаемая человеком с низким разнообразием организмов.

Особое значение для выделения экосистем имеют трофи­ческие, т. е. пищевые, взаимоотношения организмов, регу­лирующие всю энергетику биотических сообществ и всей эко­системы в целом.

Прежде всего все организмы делятся на две большие груп­пы — автотрофов и гетеротрофов.

Автотрофные - они синтезируют из неорганиче­ских минеральных соединений органические ве­щества с использованием солнечной энергии; к ним относятся в основном зеленые растения, осу­ществляющие фотосинтез;

Гетеротрофные - они используют в качестве ис­точника питания органические вещества, произве­денные автотрофами; это - животные, грибы и большинство микроорганизмов. Однако между этими группами организмов четкая граница не всегда прослеживается.

Выделяют еще миксотрофные организмы, кото­рые в зависимости от условий внешней среды со­четают автотрофный и гетеротрофный способы пи­тания (сине-зеленые водоросли, растения-паразиты). Так, водные одноклеточные организмы (эвгленовые, или жгутиковые) при хорошей освещенности питаются автотрофно, а в темных условиях (при наличии в воде питательных веществ) переходят к гетеротрофному способу. Кроме того, большинство организмов биосферы относятся к аэробным, живущим в присутствии свободного кислорода, а меньшая часть, куда входят микроорганизмы, - к анаэробным, обитающим вне кислородной среды, преимущественно в придонных слоях замкнутых водоемов и в почве.

Поскольку организмы достаточно разнообразны по видам и формам питания, то они вступают между собой в сложные трофические взаимодействия, тем самым выполняя важней­шие экологические функции в биотических сообществах. Од­ни из них производят продукцию, другие потребляют, тре­тьи — преобразуют ее в неорганическую форму. Их называют соответственно: продуценты, консументы и редуценты.

Трофический уровень - совокупность ор­ганизмов, занимающих определенное положение в общей цепи питания. Взаимоотношения между ор­ганизмами при переносе энергии и пищи от ее ис­точника - зеленых растений - через ряд организмов из более высоких трофических уровней, т.е. путем поедания одних организмов другими. На каждом трофическом уровне потребленная пища ассимилируется не полностью, так как значительная ее часть те­ряется, тратится на обмен веществ, поэтому про­дукция организмов каждого уровня всегда мень­ше, чем последующего. Видно, что выделяются следующие трофические уровни:

I - это всегда продуценты (зеленые растения);

II - консументы первого порядка, питающиеся расте­ниями (растительноядные);

III - консументы второго порядка, питающиеся растительноядными организма­ми (плотоядные, первичные хищники);

IV - консумен­ты третьего порядка, питающиеся в свою очередь более слабыми хищниками и т.д.

Замыкают этот биологи­ческий круговорот, как правило, редуценты или деструкторы (микроорганизмы, бактерии), разла­гающие органические остатки.

Одновременно действует и второй фундаментальный принцип — любое действие, связанное с преобразованием энер­гии, не может происходить без потери в виде рассеянной в про­странстве энергии (тепла), следовательно, часть поступавшей в экологическую систему энергии теряется и не может совершать работу.

В любой цепи питания не вся пища используется на рост особи, т. е. на накопление биомассы. Часть ее расходуется на удовлетворение энергетических затрат организма: на дыхание, движение, размножение, поддержание температуры тела и др. При этом биомасса одного звена не может быть переработана последующим звеном полностью. В каждом последующем звене пищевой цепи происходит уменьшение биомассы, а также чис­ленности особей и потока энергии по сравнению с предыдущим. Это явление было изучено Ч. Элтоном и названо пирамидой чи­сел, или пирамидой Элтона.

Экологические пирамиды выражают трофическую структу­ру зоологической системы в геометрической форме. Они могут быть построены из отдельных прямоугольников одинаковой вы­соты, длина в определенном масштабе отражает значение изме­ряемого параметра. Таким образом можно построить пирамиды чисел, биомассы и энергии.

Наиболее простыми и наглядно представляющими структуру трофической цепи явля­ются пирамиды чисел. В лю­бой экологической системе растений больше, чем тра­воядных животных, в свою очередь травоядных боль­ше, чем плотоядных.

Рис.1.3 - Экологическая пирамида (биомасс) и трофические уровни в экосистеме (по Ч. Элтону).

Экологическая пирамида - соотношение между продуцентами, консументами и редуцентами в есте­ственных экосистемах, выраженное в их массе и вы­раженное в виде графических моделей. Эффект пира­миды в виде таких моделей разработал Ч.Элтон (1927). Они бывают в основном трех типов:

1) пирамида численности - отражает количе­ство отдельных организмов по трофическим це­пям, причем численность особей при движении от продуцентов к консументам различного порядка значительно уменьшается;

2) пирамида биомасс показывает соотношение различных организмов по пищевым цепям в данной экосистеме (рис. 1. 3). Видно, что параметры продуцентов, как правило, выше, чем консументов различного порядка (отсюда и форма пирамиды);

3) пирамида энергии - даны величины потока энергии через последова­тельные трофические (пищевые) уровни, т.е. эта пирамида отражает картину скоростей прохожде­ния массы пищи через трофическую цепь и т.д. Из­учение различного типа П.э. позволяет получать необходимые сведения о составе и функциониро­вании определенных экосистем или их отдельных частей, а также определять степень воздействия антропогенных факторов на отдельные живые ор­ганизмы или на экосистему в целом.

Абиотические факторы среды - это компо­ненты и явления неживой, неорганической приро­ды, прямо или косвенно воздействующие на жи­вые организмы. Среди них главенствующую роль играют климатические (солнечная радиация, све­товой режим, температура, влажность, атмосфер­ные осадки, ветер, давление и др.);

Эдафические факторы, т. е. почвенные, — это совокупность химических, физических и механических свойств почв и гор­ных пород, оказывающих воздействие как на организмы, жи­вущие в них, т. е. те, для которых они являются средой обита­ния, так и на корневую систему растений. Хорошо известно влияние химических компонентов (биогенных элементов), тем­пературы, влажности, структуры почв, содержания гумуса и т. п. на рост и развитие растений.

Однако не только абиотические факторы влияют на орга­низмы. Организмы образуют сообщества, где им приходится бороться за пищевые ресурсы, за обладание определенными пастбищами или территорией охоты, т. е. вступать в конку­рентную борьбу между собой. При этом проявляются хищни­чество, паразитизм и другие сложные взаимоотношения как на внутривидовом, так и, особенно, на межвидовом уровнях. Это уже факторы живой природы, или биотические факторы.

Биотические факторы — совокупность влияний жизне­деятельности одних организмов на жизнедеятельность других, а также на неживую среду обитания (Хрусталев и др., 1996). В последнем случае речь идет о способности самих организмов в определенной степени влиять на условия обитания. Например, в лесу под влиянием растительного покрова создается особый микроклимат, или микросреда, где по сравнению с открытым местообитанием создается свой температурно-влажностной ре­жим: зимой здесь на несколько градусов теплее, летом — про­хладнее и влажнее. Особая микросреда создается также в дуп­лах деревьев, в норах, в пещерах и т. п.

Пожары как экологический фактор - по Ю.Одуму (1986), они рассматриваются наряду с такими абиотическими факторами, как температура, влажность, осадки, почвы и др. При этом выде­ляют два типа пожаров: верховые, т.е. очень ин­тенсивные и часто разрушающие всю раститель­ность и органику почвы, и низовые, которые, на­против, обладают избирательным действием. По­следние для одних растений оказываются более лимитирующим фактором, для других - менее и, таким образом, способствуют развитию растений, обладающих толерантностью по отношению к по­жарам. Так, азотфиксирующим бобовым неболь­шой пожар часто даже полезен. Пожар как благо­приятный фактор способствует развитию болотной сосны, произрастающей на береговых равнинах юго-запада США. Сосна более устойчива к огню: верхушечная почка сеянцев ее лучше защищена пучком длинных плохо горящих игл, чем лист­венные породы. Низовые пожары избирательно благоприятствуют данному виду. При полном от­сутствии пожаров поросль лиственных пород бы­стро растет и заглушает болотную сосну. По мне­нию американских экологов, великолепные ред­костойные сосновые леса юго-запада США явля­ются частью экосистемы "пожарного" типа. При­мером такой "пирогенной" экосистемы является чапараль - кустарниковые сообщества жестко­листных вечнозеленых растений, широко распро­страненные в Срр""чемноморье, Калифорнии, Мексике, Чили. После пожара эти сообщества легко восстанавливаются. По данным Г.Вальтера (1982), в Австралии имеются растения-пирофиты, устойчивые к воздействию пожаров, и для кото­рых они необходимы для распространения семян. Так, многие виды протейных, миртовых, эвкалип­тов и сосен обладают плодами, которые самостоя­тельно не могут вскрыться. Но после кратковре­менного воздействия огня при проходящем через заросли пожаре плоды или шишки вскрываются,

Экологическая ниша - место вида в экосисте­ме, определяемое его биотическим потенциалом и совокупностью факторов внешней среды, к кото­рым он приспособлен. По Ю.Одуму (1986, т. 2., с. 119), "экологическая ниша - это не только физи­ческое пространство, занимаемое организмом, но и функциональная роль организма в сообществе (его трофическое положение) и его место отно­сительно градиентов внешних факторов - тем­пературы, влажности, рН почвы и др.". Для ха­рактеристики ниши чаще всего используются два измерения: ширина ниши и перекрывание ниши с соседними. Специализация вида по питанию, исполь­зованию пространства, времени активности и другим условиям влияет на размеры и динамику Н.э. У близ­кородственных видов, живших вместе, наблюдаются тонкие разграничения ниш. Так, пасущиеся в саван­нах Африки копытные по-разному используют паст­бищный корм: зебры обрывают в основном верхушки трав, антилопы гну кормятся тем, что оставляют зебры, газели выщипывают самые низкие травы, а ан­тилопы топи довольствуются высокими сухими стеб­лями, оставшимися после других травоядных.

Лимитирующими экологическими фак­торамиследует называть такие факторы, которые ограничива­ют развитие организмов из-за недостатка или их избытка по сравнению с потребностью (оптимальным содержанием). Их иногда называют ограничивающими факторами.

Различия в совокупноми изолированномдействиях отно­сятся и к другим факторам. Например, действие отрицатель­ных температур усиливается ветром и высокой влажностью воз­духа, но, с другой стороны, высокая влажность ослабляет дей­ствие высоких температур, и т. д. Но, несмотря на взаимовлия­ние факторов, все-таки они не могут заменить друг друга, что и нашло отражение в законе независимости факторов В. Р. Вильямса:условия жизни равнозначны, ни один из фак­торов жизни не может быть заменен другим. Например, нель­зя действие влажности (воды) заменить действием углекисло­го газа или солнечного света, и т. д.

Наиболее полно и в наиболее общем виде всю сложность влияния экологических факторов на организм отражает закон толерантности В. Шелфорда:отсутствие или невозможность процветания определяется недостатком (в качественном или ко­личественном смысле) или, наоборот, избытком любого из ря­да факторов, уровень которых может оказаться близким к пре­делам переносимого данным организмом. Эти два предела на­зывают пределами толерантности.

Толерантность - означает выносливость вида по отношению к колебаниям какого-либо экологичекого фактора, причем диапазон между экологиче­ским минимумом и максимумом фактора состав­ляет предел толерантности (от лат. "терпение"). Термин "толерантные виды" означает: устойчи­вые к неблагоприятным изменениям среды. Закон толерантности был предложен американским зоо­логом В.Шелфордом в 1913 г., но впоследствии он был дополнен Ю.Одумом (1975) следующими по­ложениями:

1) организмы могут иметь широкий диапазон толерантности в отношении одного, якс. логического фактора и низкий диапазон в отно­шении другого;

2) организмы с широким диапазо­ном толерантности в отношении всех экологиче­ских факторов обычно наиболее распространены;

3) если условия по одному экологическому факто­ру не оптимальны для вида, то диапазон толе­рантности может сузиться и в отношении других экологических факторов и т.д.

Кроме того, многие факторы становятся лимитирующими в критиче­ские периоды жизни организмов, особенно в пери­од размножения. Так, взрослые голубые крабы и многие другие морские животные могут перено­сить солоноватую и пресную воду, поэтому часто они заходят в реки вверх по течению. Но их ли­чинки не могут жить в пресных речных водах и поэтому предпочитают морскую среду.

Рассмотрим пример экологических групп растений по отношению к воде как к лимитирующему фактору.

гидатофиты - водные растения, целиком или почти полностью погруженные в воду (рдест, уруть, кувшинки, водяные лютики и др.);

гидрофиты - наземно-водные растения, погруженные в воду только своими нижними частями и растущие по берегам водоемов, на мелководьях и на болотах (тростник обыкновенный, частуха, калужница болотная и др.);

гигрофиты - наемные растения, живущие в условиях повышенной влажности и часто на влажных почвах. Среди них различают теневые г. - это растения нижних ярусов сырых лесов в раз-. ных климатических зонах (недотрога, бодяк ого­родный, многие тропические травы и др.); и свето­вые - встречающиеся на открытых местообитаниях (рис, папирус, росянка, подмаренник болотный и др.);

мезофиты - растения, которые могут перено­сить непродолжительную и не очень сильную за­суху, но произрастающие при среднем увлажне­нии и умеренно теплом климате. Они как бы за­нимают промежуточное положение между гигро­фитами и ксерофитами. К ним относятся: многие травянистые растения умеренной зоны (пырей ползучий, клевер, луговой, люцерна синяя), большинство культурных растений (кукуруза, пшеница, горох, конопля, соя), почти все плодо­вые (за исключением винограда, миндаля и фи­сташки), а также листопадные деревья саванн, кустарники подлеска и др.

ксерофиты- это растения, приспособленные к жизни в местообитаниях с недостаточным увлаж­нением: они лучше, чем другие растения, способ­ны регулировать водообмен, имеют приспособле­ния (узкие листья, толстая кутикула, опущение, редукция листьев и др.), уменьшающие транспи-рацию. К ним относятся в основном растения сте­пей, полупустынь, пустынь, песчаных дюн и т.д. (представители семейств - маревых, сложноцвет­ных, крестоцветных, бобовых, гвоздичных, ли­лейных, парнолистниковых и др.). Они в свою очередь подразделяются на два основных типа: суккуленты и склерофиты.

Суккуленты - сочные растения, обитающие в засушливых районах и переносящие неблагопри­ятный для жизни период за счет накапливаемых запасов влаги. Они могут ее накапливать в стеб­лях (кактусы, кактусовидные молочаи), в листьях (агавы, алоэ); причем кактусовидная форма расте­ний других семейств (молочайных, сложноцвет­ных) тоже служит приспособлением к аналогич­ным условиям внешней среды. Из деревьев, кото­рые запасают воду в стволах, наибольшую извест­ность имеют африканский баобаб, бутылочное де­рево Австралии, произрастающие в саваннах. По данным Ф. Фукарека и др. (1982), африканский баобаб при общей высоте дерева в 20 м и толщине ствола, порой достигающей 20 м, способен сделать запас влаги, хранящийся в его мягкой древесине, до 120 ООО л.

Склерофиты- это растения, наоборот, сухие на вид, с жесткими, кожистыми листьями и стебля­ми, эффективно задерживающие испарение воды; встречаются главным, образом в засушливых райо нах (полынь, некоторые злаки, саксаул, оливковое дерево, олеандр, синеголовник полевой и др.).

Сукцессия(от лат. - наследование) - последова­тельная необратимая смена биоценозов, преем­ственно возникающих на одной и той же террито­рии в результате влияния природных или антро­погенных факторов. Последовательность сооб­ществ, сменяющих друг друга в данном про­странстве, называется стадиями развития. Разли­чают сукцессии: первичные - начинающиеся на субстратах, не затронутых процессами почвообра­зования (скальные породы, песчаные дюны, вул­каническая лава); вторичные - происходящие на месте сформировавшихся биоценозов после их на­рушения (лесные пожары, вырубка леса, засуха, эрозии и др.). Различают множество форм сукцес­сии (фитогенная, зоогенная, ландшафтная, антро­погенная). Р.Риклефс (1979) дает следующую по­следовательность смены видов растений, заселяю­щих местообитания, обнажившиеся после отсту­пания ледника на юге Аляски (пример первичной сукцессии): вначале поселяются мхи, которые за­тем сменяются осоками, стелющимися и кустар­никовыми ивами, на смену им приходят заросли ольхи и ситхинской ели, и в конце этого ряда появляются лесные формации (из ели и тсуги). Дан­ная сукцессия происходит относительно быстро: стадия зарослей ольхи достигается в течение 10-20 лет, а через 100 лет местообитание уже покрыто высоким еловым лесом.

Пример вторичной сук­цессии в районе Пидмонта (юго-восток США). На месте заброшенных сельскохозяйственных угодий (кукуруза, хлопчатник) вторичная С. слагается из ряда последовательных стадий: первыми поселен­цами являются сорняки (мелколепестник, астра, бородач), которые затем сменяются злаками, за­тем поселяются сосны с примесью нескольких ви­дов быстро растущих лиственных пород (амброво, тюльпанное дерево). Поскольку эти виды живут подолгу, то стадия сосны существует длительное время (до 100 лет), но в нижнем ярусе постепенно развиваются теневыносливые дубы и гикори. Мо­лодые сосны не могут развиваться в тени взрос­лых деревьев, поэтому по мере того, как старые сосны погибают от болезней, старости, ураганов, в пологе начинают доминировать дубы и гикори, т.е. через 150-200 лет здесь формируется кли-максный лес (Одум, 1986).

Климакс (от греч. - лестница) - термин введен Ф.Клементсом (1916) для обозначения стабильной, конечной (кульминационной) стадии развития (сукцессии) экосистемы в условиях данной облас­ти. Ее характер обычно определяется климатиче­скими, почвенными, геоморфологическими, био­тическими и антропогенными факторами. Он вы­ражается в формировании относительно устойчи­вого (коренного) фитоценоза. Начальные группи­ровки видов отличаются неустойчивостью. В ходе сукцессии постепенно возрастает видовое разнооб­разие, что ведет к усложнению связей внутри био­ценоза, развитию цепей питания, умножению симбиотических связей и т.п. и, в конечном итоге, к более четкому распределению организмов по экологическим нишам. На различных местообита­ниях первичная сукцессия может характеризо­ваться разными фазами, но все они приведут к одному и тому же климаксу.

Пример 1.1. Бабочка яблоневая плодожорка – опасный вредитель садов. Используя данные по выживаемости её куколок при различных значениях температуры и влажности воздуха, полученные в лабораторных условиях, постройте в координатном пространстве (ось Х – температура, ось Y – влажность) фигуры, отражающие пределы выносливости и оптимальные значения этих двух климатических параметров для куколок плодожорки.

Ответьте на вопрос: насколько велика опасность вспышки численности яблоневой плодожорки в районе, где летние температуры составляют 18-25°, а влажность воздуха - 70-90%? а в районах с температурой 20-35° и влажностью 20-35%?

Решение: гибель куколок плодожорки наблюдается в 100% случаев при следующих соотношениях температуры и влажности:

Температура, °С
Влажность, %

Минимальная смертность (менее 10% численности) наблюдается при следующих соотношениях температуры и влажности:

Температура, °С
Влажность, %

Используя эти данные, построим график и отметим зоны максимальной и минимальной выживаемости куколок бабочки яблоневой плодожорки (рис.1.4).

Из рисунка видно, что опасность вспышки численности яблоневой плодожорки в районе, где летние температуры составляют 18-25°, а влажность воздуха - 70-90%, весьма велика.

Рис. 1.4. Предел выносливости и оптимальные параметры влажности и температуры для выживания куколок бабочки яблоневой плодожорки.

Задачи для самостоятельного решения.

Задача 1. На расположенном ниже рисунке в координатном пространстве двух осей (ось Х - температура в диапазоне от 0 до 40°С, ось Y - влажность в диапазоне от 20 до 100%) построены округлые или овальные фигуры, являющиеся графическими моделями экологических ниш четырех видов (1, 2, 3 и 4). Ответьте на вопросы:

Какие виды не могут обитать на одной территории и почему?

Какой фактор в большей степени лимитирует распространение вида 3 -температура или влажность?

Какой из видов будет лучше других переносить диапазон условий, обозначенный на рисунке белым квадратом?

Какие виды являются эвритермными, а какие - стенотермными?

Рис. 1.5 Экологические ниши разных видов в диапазоне влажность-температура.

Задача 2. Вредитель пищевых запасов - мучной клещик - может приносить
колоссальный ущерб на зернохранилищах, приводя зерно в состояние полной непригодности для производства муки. Оптимальной для жизнедеятельности клещика является температура +20- 22°С, а температура ниже +5-7°С и выше +45°С для него губительна. При влажности зерна 10-12% он погибает от повышенной сухости, а при влажности зерна 70% и выше - из-за развития плесневых грибков. Оптимум влажности воздуха составляет 50-60%.

В координатном пространстве основных микроклиматических параметров (ось Х - влажность, ось Y - температура) изобразите двухмерную экологическую нишу клещика. Предложите безопасный способ защиты зерна от этих вредителей пищевых запасов без использования пестицидов.

Задача 3. Внимательно рассмотрите расположенный ниже график зависимости
выживаемости куколок яблоневой плодожорки от двух факторов – температуры и влажности и ответьте на вопросы:

1) Какой из факторов для выживаемости куколок яблоневой плодожорки является лимитирующим (ограничивающим) при их сочетаниях, соответствующих точкам 1, 2 и 3?

2) Какой диапазон температуры и влажности являются для вида оптимальными?

3) Охарактеризуйте пределы выносливости вида по температуре и влажности.

Рис.1.6. Выживаемость куколок яблоневой плодожорки в зависимости от температуры и влажности.

Ветровая энергия

Огромна энергия движущихся воздушных масс. Запасы энергии ветра

более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Постоянно и повсюду на земле дуют ветры - от легкого ветерка, несущего желанную прохладу в летний зной, до могучих ураганов, приносящих неисчислимый урон и разрушения. Всегда неспокоен воздушный океан, на дне которого мы живем. Ветры, дующие на просторах нашей страны, могли бы легко удовлетворить все ее потребности в электроэнергии! Климатические условия позволяют развивать ветроэнергетику на огромной территории - от наших западных границ до берегов Енисея. Богаты энергией ветра северные районы страны вдоль побережья Северного Ледовитого океана, где она особенно необходима мужественным людям, обживающим эти богатейшие края. Почему же столь обильный, доступный да и экологически чистый источник энергии так слабо используется? В наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего одну тысячную мировых потребностей в энергии.

По оценкам различных авторов, общий ветроэнергетический потенциал Земли равен 1200 ТВт, однако возможности использования этого вида энергии в различных районах Земли неодинаковы. Среднегодовая скорость ветра на высоте 20-30 м над поверхностью Земли должна быть достаточно большой, чтобы мощность воздушного потока, проходящего через надлежащим образом ориентированное вертикальное сечение, достигала значения, приемлемого для преобразования. Ветроэнергетическая установка, расположенная на площадке, где среднегодовая удельная мощность воздушного потока составляет около 500 Вт/м2 (скорость воздушного потока при этом равна 7 м/с), может преобразовать в электроэнергию около 175 из этих 500 Вт/м2.

Энергия, содержащаяся в потоке движущегося воздуха, пропорциональна кубу скорости ветра. Однако не вся энергия воздушного потока может быть использована даже с помощью идеального устройства. Теоретически коэффициент полезного использования (КПИ) энергии воздушного потока может быть равен 59,3 %. На практике, согласно опубликованным данным, максимальный КПИ энергии ветра в реальном ветроагрегате равен приблизительно 50 %, однако и этот показатель достигается не при всех скоростях, а только при оптимальной скорости, предусмотренной проектом. Кроме того, часть энергии воздушного потока теряется при преобразовании механической энергии в электрическую, которое осуществляется с КПД обычно 75-95 %. Учитывая все эти факторы, удельная электрическая мощность, выдаваемая реальным ветроэнергетическим агрегатом, видимо, составляет 30-40 % мощности воздушного потока при условии, что этот агрегат работает устойчиво в диапазоне скоростей, предусмотренных проектом. Однако иногда ветер имеет скорость, выходящую за пределы расчетных скоростей. Скорость ветра бывает настолько низкой, что ветроагрегат совсем не может работать, или настолько высокой, что ветроагрегат необходимо остановить и принять меры по его защите от разрушения. Если скорость ветра превышает номинальную рабочую скорость, часть извлекаемой механической энергии ветра не используется, с тем чтобы не превышать номинальной электрической мощности генератора. Учитывая эти факторы, удельная выработка электрической энергии в течение года, видимо, составляет 15—30% энергии ветра, или даже меньше, в зависимости от местоположения и параметров ветроагрегата.

Энергия рек.

Многие тысячелетия верно служит человеку энергия, заключенная в текущей воде. Запасы ее на Земле колоссальны. Недаром некоторые ученые считают, что нашу планету правильнее было бы называть не Земля, а Вода -ведь около трех четвертей поверхности планеты покрыты водой. Огромным аккумулятором энергии служит Мировой океан, поглощающий большую ее часть, поступающую от Солнца. Здесь плещут волны, происходят приливы и отливы, возникают могучие океанские течения. Рождаются могучие реки, несущие огромные массы воды в моря и океаны. Понятно, что человечество в поисках энергии не могло пройти мимо столь гигантских ее запасов. Раньше всего люди научились использовать энергию рек.

Вода была первым источником энергии, и, вероятно, первой машиной, в которой человек использовал энергию воды, была примитивная водяная турбина. Свыше 2000 лет назад горцы на Ближнем Востоке уже пользовались водяным колесом в виде вала с лопатками. Суть устройства сводилась к следующему. Поток воды, отведенный из ручья или речки, давит на лопатки, передавая им свою кинетическую энергию. Лопатки приходят в движение, а поскольку они жестко скреплены с палом, вал вращается. С ним в свою очередь скреплен мельничный жернов, который вместе с валом вращается по отношению к неподвижному нижнему жернову. Именно так работали первые «механизированные» мельницы для зерна. Но их сооружали только в горных районах, где есть речки и ручьи с большим перепадом и сильным напором. На медленно текущих потоках водяные колеса с горизонтально размещенными лопатками малоэффективны.

Шагом вперед было водяное колесо Витрувия (1 в. н. э.). Это вертикальное колесо с большими лопатками и горизонтальным валом. Вал колеса связан деревянными зубчатыми колесами с вертикальным валом, на котором сидит мельничный жернов. Подобные мельницы и сегодня можно встретить на Малом Дунае; они перемалывают в час до 200 кг зерна.

Почти полторы тысячи лет после распада Римской империи водяные колеса служили основным источником энергии для всевозможных производственных процессов в Европе, заменяя физический труд человека.

Устройства, в которых энергия воды используется для совершения работы, принято называть водяными (или гидравлическими.) двигателями. Простейшие и самые древние из них - описанные выше