Учебник для общеобразовательных учревдений Под редакцией профессора Н. М. Черновой
 Скачать 8.41 Mb.
|
|
Н. М. ЧЕРНОВА, В. М. ГАЛУШИН, В. М. КОНСТАНТИНОВ экология 10 ( 11 ) КЛАСС УЧЕБНИК ДЛЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УЧРЕВДЕНИЙ ♦ Под редакцией профессора Н. М. Черновой ♦ Рекомендовано Министерствам образования и науки Российской Федерации 11-е издание, исправленное 4 орофа Москва • 2007 УДК 373.167.1:574 ББК 20.1я72 4-49 Чернова, Н. М. 4- 49 Экология. 10 (11) кл. : учеб. для общеобразоват. учреждений / Н. М. Чернова, В. М. Галушин, В. М. Константинов ; под ред. Н. М. Черновой. — 11-е изд., испр. — М. : Дрофа, 2007. — 302, [2] с. : ил. ISBN 978-5-358-02817-3 УДК 373.167.1:574 ББК 20.1я72 ISBN 978-5-358-02817-3 ©ООО «Дрофа», 1999 ©ООО «Дрофа», 2007, с изменениями Как работать с учебником Внимательно прочитайте основной текст параграфа. Рассмотрите ил- люстрации к нему. Наиболее важные формулировки и заключения набраны другим шрифтом и даны с красной строки. Обратите на них особое внимание, подумайте, все ли в них вам понятно. Проверьте, правильно ли вы усвоили значение терминов, выделенных в тексте курсивом и перечисленных еще раз в конце параграфа. Выпишите термины в свой экологический словарик. Основная идея кратко сформулирована в конце каждого параграфа рядом с терминами. Обратите внимание на примеры и дополнительную информацию. После них помешены вопросы и задания. Проверьте по ним, как вы усвоили материал. Для ответа на некоторые вопросы потребуются дополнительные знания, в том числе и по другим предметам. Экологические связи в природе основаны на количественных зако- номерностях. Поэтому в книге приводится некоторый набор цифровых задач и заданий. Темы для дискуссий приведены для свободного выбора со стороны учащихся или учителя. При работе над параграфом обязательно позна- комьтесь со всеми темами и подумайте, почему они предложены именно в данном параграфе. При подготовке к следующему уроку обязательно просмотрите рубрику «Вспомните» (если она есть к данному параграфу) и, если вы забыли нужные термины, обратитесь к учебникам или справочникам, это облегчит вам понимание нового материала. Желаем успехов! 4 Введение Предмет экологии. Ее разделы Экология — это наука о связях живых организмов с окружающей средой. Эти связи образуют единую и очень сложную систему, которую мы называем жизнью на Земле. Человечество тоже часть этой жизни. Оно возникло как результат развития живой природы, связано с нею всеми корнями, существует за ее счет. Название экологии образовано сочетанием двух греческих слов: «ойкос», что означает «дом, жилище», и «логос» — наука, изучение. Название это ввел немецкий зоолог Эрнст Геккель в 1866 г. Образно говоря, экология — это наука о том, как жить в собственном доме. Для одних видов дом — это крошечный участок среды, как, например, чашечка цветка для живущего в ней насекомого, а для других — широкое пространство материков или океанов. Дом современного человечества — вся планета Земля, теперь уже вместе с прилегающим космическим пространством. Жизнь — это самое сложное явление в окружающем нас мире. Она изучается целой системой биологических наук, каждая из которых исследует определенные стороны жизни. Систематика, анатомия и морфология разных групп организмов, ботаника, зоология, микробиология, цитология, гистология, генетика, физиология, палеонтология, эволюционное учение и многие другие — все это биологические науки. В центре внимания экологии тоже живые объекты. Ее задачи — изучить, как выживают различные виды в постоянно изменяющихся на Земле условиях, что объединяет их с внешним миром, какие законы позволяют жизни сохранять устойчивость при колебаниях и нарушениях внешней среды. Таким образом, экология тесно связана и с теми науками, которые изучают законы неживой природы. Можно сказать, что экология изучает взаимодействия живой и неживой природы. Современное человечество, вооруженное техникой и использующее огромное количество энергии, представляет могучую силу, воздействующую на природу Земли. Если эти воздействия не учитывают природных законов и разрушают установившиеся за миллионы лет связи, возникают катастрофические последствия. Люди уже столкнулись с целым рядом природных катастроф, вызванных их деятельностью, и обеспокоены тенденцией нарастания неустойчивости природы. Поэтому экология в настоящее время приобретает особое значение как наука, помогающая найти пути выхода из возникающего кризиса. Все современное благополучие человечества и дальнейшая судьба зависят от общей системы жизни на нашей планете. Раскрывая законы связей, на которых основана устойчивость жизни, люди все глубже понимают, как нужно изменить и ор- ганизовать свои собственные отношения с природной средой, по каким принципам развивать и использовать свою техническую вооруженность. Эти 5 возможности во многом зависят от социального устройства общества. крупный немецкий биолог, автор названия науки «экология» Э. Геккель (1834-1919) Поэтому две главные составные части современного экологического знания — это общая, или фундаментальная, экология, изучающая всю живую природу в целом, и социальная экология, изучающая взаимосвязи человеческого общества с природой. Отсюда вытекают правила и приемы рационального природопользования, охраны природы и окружающей человека среды. В соответствии с этим предлагаемый учебник состоит из двух частей: «Общая экология» и «Социальная экология». Главное назначение этой книги — помочь понять, как много подска- зывает нам сама живая природа для грамотного хозяйствования на Земле, и задуматься над взаимоотношениями природы и общества. Организация жизни на Земле Разделы общей экологии, посвященные изучению организмов, популяций, биоценозов и экосистем, отражают сложность жизни на Земле. Жизнь на нашей планете не хаотична. Она представляет достаточно упорядоченную систему, состоящую как бы из нескольких уровней. Прежде всего, живая природа состоит из великого множества разнообразных ор ганизмов. Организменный уровень — это первый уровень организации жизни, так как вне организмов (например, в растворах, осадках, кристаллах и т. п.) жизнь не проявляется. Организмы могут быть разной степени сложности — от одноклеточных бактерий или амеб до гигантских деревьев, слонов или китов, состоящих из миллиардов клеток. 6 Любой организм теснейшим образом связан с окружающей средой через вещество и энергию, которые поддерживают его жизнь. Растения усваивают энергию солнечных лучей, синтезируя из неорганических веществ органические. Животные используют вещество и энергию, заключенные в их пище. Грибы всасывают растворы простых органических веществ, бактерии потребляют как органические, так и разнообразные неорганические соединения. Отработанные продукты обмена веществ выделяются в окружающую среду. Материальную зависимость организмов от внешней среды еще древнегреческий философ Гераклит выразил словами: «Текут наши тела, как ручьи, и материя постоянно обновляется в них, как вода в потоке». Современные ученые называют организмы «открытыми системами», которые существуют, пока через них проходят вещество и энергия. На ход обмена веществ и состояние организмов влияют условия среды, такие как свет, температура, влажность, солевой состав воды или почвы, давление, сила ветра или течения и многие другие. Поэтому любые организмы сильнейшим образом зависят от окружающей среды, должны быть к ней приспособлены и вне ее существовать не могут. Живая природа состоит также из видов и популяций. Популяцион но- видовой — следующий уровень ее организации. Любой организм — представитель какого-нибудь вида. В современном органическом мире описано несколько миллионов различных видов. Виды распадаются на отдельные популяции, которые представляют население данного вида на определенной территории. Члены популяций, существуя вместе, взаи- модействуют друг с другом в процессах размножения, использования общих ресурсов, защиты от хищников и т. п. Численность популяции сильно зависит и от внешних условий, и от ее внутренних связей. Виды могут состоять всего из одной или из многих тысяч популяций, быть распространенными очень узко или по всей Земле, приспосабливаться за счет разных популяций к разнообразным условиям климата, почв и рельефа. Популяции теснейшим образом связаны со средой обитания, используя ее ресурсы и испытывая ее воздействие. Они также представляют собой открытые системы, через которые проходят потоки вещества и энергии. Но и виды с их популяциями не могут существовать сами по себе. В живой природе они сильно зависят от популяций других видов. Весь органический мир складывается из биоценозов, или сообществ, представ- ляющих сожительства популяций различных видов на общей территории (рис. 1). Третий уровень организации жизни — биоценотиче- ский. В биоценозах существование разных видов поддерживается связями между их представителями. Это прежде всего пищевые отношения, изменение среды, создание условий жизни друг для друга, разделение ресурсов. Не все виды могут ужиться вместе. Биоценозы складываются по 7 Рис. 1. Организмы, популяции, сообщества Организм определенным закономерностям. Для устойчивости биоценозов очень важны как их внутренние связи, так и внешние воздействия. Ни один биоценоз не может существовать вне зависимости от окру- жающей среды и от потоков энергии, поступающей извне. Однако, в отличие от организмов и популяций, биоценозы способны поддерживать круговорот веществ, т. е. многократно использовать одни и те же атомы и молекулы из неорганической среды. Происходит это через пищевые связи организмов за счет того, что органические вещества, создаваемые растениями, путем переработки их животными, грибами и бактериями разрушаются до минеральных соединений, вновь доступных для использования их растениями. Таким образом, биоценозы вместе с теми участками среды, которые они занимают, образуют особые ячейки природы — экосистемы, где живые и неживые компоненты связаны воедино потоками энергии и круговоротом веществ. Экосистемный — еще один уровень организации жизни. Лес, луг, озеро — примеры природных экосистем. Сад, поле, город — экосистемы, созданные человеком. Экосистемы Земли очень разномасштабны. Мелкие входят в состав все более крупных, и все вместе образуют биосферу. Она представляет собой всю область земного шара, охваченную жизнью и измененную ее влиянием, и является самой крупной экосистемой Земли. Таким образом, жизнь одновременно проявляется на разных уровнях ее организации. Организмы обязательно входят в состав видовых популяций, которые не существуют в природе вне биоценозов, а биоценозы являются составной частью и главной действующей силой экосистем, поддерживая на Земле круговорот веществ (рис. 1). Человек сильно преобразует экосистемы Земли, создавая сельскохо- зяйственные угодья, города, дороги, промышленные и горнодобывающие предприятия, используя колоссальное количество энергии, влияя в конечном счете на всю биосферу. Одновременно развивается наука, все глубже познающая строение и законы окружающего нас мира. Экология в своем развитии постепенно охватывала изучением все уровни организации жизни. До середины XIX в. она изучала преимущественно связи организмов различных видов со средой. Затем в ней появились разделы, связанные с обсуждением законов жизни биоценозов и популяций. К середине XX в. сформировался раздел, отражающий особенности строения и функционирования экосистем. Познание законов, действующих в экосистемах вплоть до биосферы, привело к новому взгляду на взаимоотношения человеческого общества и природы. Современная экология — это наука, познающая основы устойчивости жизни на всех уровнях ее организации. Экология является научной основой грамотных взаимоотношений общества и природы, рационального использования природных богатств, и тем самым — поддержания на Земле человечества. Используя ее законы, человечество может найти пути не только выживания, но и дальнейшего процветания на планете. О Экология общая. Социальная экология. Уровни организации жизни. Часть I 9 Общая экология Diana 1. Организм и среда Глава 2. Сообщества и популяции Глава 3. Экосистемы Организм и среда Глава 1 § 1. Потенциальные возможности размножения организмов Окружающий нас живой мир состоит из организмов. Любой организм смертен и рано или поздно погибает, а жизнь продолжается и процветает, 10 существуя на Земле, по представлениям ученых, уже около 4 млрд лет. Живые организмы постоянно воспроизводят себя в веренице поколений, что не свойственно телам неживой природы. Именно способность к размножению позволяет видам существовать в природе очень долго, многие миллионы лет, несмотря на то, что каждая особь живет ограни- ченное время. Способность к самовоспроизведению — главное свойство жизни. Даже самый медленно размножающийся вид способен в короткое время произвести столько особей, что для них не хватит места на земном шаре. Всего за пять поколений, т. е. за один-полтора летних месяца, одна-един- ственная тля может оставить более 300 млн потомков. Взрослая самка трески (рис. 2) способна стать родоначальницей такого стада рыб, которое через 10 лет насчитывало бы 800 млн особей с общей массой более 3 млн т. Через 100 лет ее потомкам не хватило бы океана. Если дать видам возможность размножаться свободно, без ограниче- ний, численность любого из них росла бы в геометрической, прогрессии, и это несмотря на то, что одни производят за всю жизнь всего несколько яиц или детенышей, а другие — тысячи и даже миллионы зародышей, которые могут вырасти во взрослые организмы. Рост в геометрической прогрессии выражается на графике особой кривой. На рисунке 3 изображен рост численности инфузорий, размно- жающихся делением. В каждом поколении из одной клетки возникает две. Кривая увеличения численности с каждым поколением становится все круче и вскоре резко уходит вверх. Чем больше потомков оставляют после себя представители разных видов, тем круче изначальный подъем подобной кривой. Фактически во всех живых организмах заложена способность размножаться беспредельно. Эта способность делает жизнь очень мощной силой на Земле. Огромная живая масса организмов поддерживает круговорот веществ на планете, создает горные породы, почвы, регулирует состав вод и атмосферы. Однако постоянного и беспредельного роста численности отдельных видов в природе мы не наблюдаем. Ни один вид не в состоянии реализо- вать до конца ту безграничную способность к размножению, которой он обладает. Главный ограничитель на пути к беспредельному размножению организмов — нехватка ресурсов, самых необходимых: для растений — минеральных солей, углекислого газа, воды, света; для животных — пищи, воды; для микроорганизмов — разнообразных потребляемых ими соединений. Запасы этих ресурсов не бесконечны, в разных частях плане- ты они имеют свои пределы, и этим сдерживается размножение видов. Второй ограничитель — влияние различных неблагоприятных условий, 11 замедляющих рост и размножение организмов, даже если есть не- обходимые для этого ресурсы. Всем известно, например, что рост и вы- зревание растений сильно зависят от погоды, в частности от хода темпе- ратур. Размножение многих водных обитателей тормозится низким содержанием кислорода в воде или присутствием в ней ряда растворенных веществ. i l l 1 Икра Икра Мальки Молодые Взрослые в самке в гнезде рыбки, дос - рыбы, вер - дигшие моря нувшиеся в реку Рис. 4. Кривая выживаемости потомства дальневосточной горбуши 12 Число делений Рис. 3. Рост численности инфузорий при неограниченном размножении Наконец, в природе происходит также огромный отсев, гибель уже произведенных на свет зародышей или подрастающих молодых особей (рис. 4). Большинство из них не доживает до периода собственного раз- множения и гибнет от врагов, болезней, низких или высоких температур, отсутствия пищи или других причин. Например, тысячи желудей, которые ежегодно производит один большой дуб, оказываются съеденными белками, кабанами, сойками, мышами, насекомыми, или поражаются плесневыми грибками и бактериями, или гибнут на стадии проростков по разным причинам. В результате лишь из считанных желудей вырастают взрослые деревья. Давно подмечена одна важная закономерность: высокой плодовито- стью отличаются именно те виды, у которых очень велика гибель особей в природе. Таким образом, высокая плодовитость далеко не всегда приводит к высокой численности вида. Избыточное производство зародышей как бы покрывает неизбежный отсев в каждом поколении. У видов с хорошо развитой заботой о потомстве плодовитость невысока. В этих случаях небольшого числа яиц или детенышей достаточно, чтобы выжило следующее поколение. Например, некоторые птицы — орланы- белохвосты, горлицы, черные стрижи — откладывают всего но два яйца, выкармливая и оберегая птенцов до взрослого состояния. Выживание, рост и размножение, численность организмов являются результатом их сложных взаимодействий со средой обитания. 13 Г еометрическая прогрессия размножения. Живые организмы способны к беспредельному размножению. Однако численность видов в природе достигает лишь определенных пределов, потому что ограниченность ресурсов, воздействие неблагоприятных факторов и взаимодействия между организмами ставят непреодолимые преграды возможностям безграничного размножения. ■ Примеры и дополнительная информация 1. Культурные растения, сельскохозяйственные животные, промысловые виды составляют пищевые ресурсы человека, которые постоянно возобновляются именно благодаря размножению организмов. Продукты жизнедеятельности различных видов, от бактерий до животных, используются во многих отраслях промышленности (текстильная, кожевенная, фармацевтическая и др.). Таким образом, размножение организмов, т. е. воспроизведение ресурсов, создает основу жизнеобеспечения человека. Освоение новых, быстро размножающихся видов может дать богатые дополнительные источники сырья и продуктов питания. Например, в жарких районах в прудах и озерах разводят синезеленые водоросли из рода спирулина, которые дают урожай в 10 раз выше, чем пшеница. Сухая мука из спирулины богата белком и жирами и используется для корма рыб, домашней птицы, крупного рогатого скота и производства некоторых диетических продуктов для человека. 2. Годовое количество семян на одно растение мать-и-мачехи составляет 60 тыс. Мать-и-мачеха может произрастать только на обнаженных участках почвы, где нет еще других растений. Плоды- парашютики разносятся ветром, и лишь некоторые случайно попадают в подходящие условия. Возможности семенного размножения растений огромны. Например, ромашка непахучая производит за год 210 тыс. семян, полынь — до 700 тыс., а дерево черного тополя — до 28 млн. Но, кроме того, у растений еще существует способность к вегетативному размножению. В подходящих условиях растительность быстро занимает освободившееся пространство. Теоретически, по подсчетам известного ученого В. И. Вернадского, чтобы создать общую массу, равную массе земной коры, бактериям при беспрепятственном размножении нужно 1,6 суток, зеленым водорослям — около 24,5 суток, а слонам — 1300 лет. Несмотря на различия, все эти сроки очень малы по сравнению с историей нашей планеты — более 4,5 млрд лет. 3. Среди рыб наибольшей плодовитостью отличаются те, икра которых плавает в толще воды и служит пищей многим водным обитателям. Самое большое число икринок мечет в воду крупная тропическая луна- 14 рыба — до 300 млн ежегодно. Мелкая каспийская килька производит до 60 тыс. икринок, осетр — до 800 тыс., белуга — до 7,7 млн. Средиземноморская акула-пилохвост откладывает всего два крупных яйца в твердых роговых капсулах и охраняет их. 4. Плодовитость дальневосточной горбуши — 1,5 тыс. икринок. Самка горбуши перед нерестом вырывает в галечном дне реки продолговатую яму, откладывает туда икру, которую самец поливает молоками, и засыпает сверху слоем песка и гальки. Образуется гнездо-бугор. По подсчетам, в одной из дальневосточных рек в гнезда горбуши попадает всего 58% икры, содержавшейся в самках, остальная сносится течением. До весны сохраняется всего 4% икринок, остальные гибнут из-за недостаточной аэрации, промерзания, инфекций и других причин. Мальки выносятся течением в море, но по пути служат пищей многим хищным рыбам. Через несколько лет взрослая горбуша возвращается из моря в реку, где она родилась, и приступает к размножению, после которого погибает. В среднем до половозрелого состояния доживает примерно одна особь из возможных 750. □ Вопросы. 1. От растений, возделываемых на полях, человек стремится получить максимально возможную продукцию. Каждое сортовое растение пшеницы может дать до 300 семян, что означало бы урожай в 600 ц на 1 га. Однако на практике высоким считается урожай в 40—50 ц на 1 га. Каковы возможные причины того, что урожайность пшеницы не достигает максимума? 2. В зрелых буковых лесах взрослые деревья смыкаются кронами. В таких лесах почти нет молодых буков, хотя на старых ежегодно вызревают многие тысячи орешков. Объясните, какие причины могут тормозить появление следующих поколений. □ Задания. 1 . Два вида полевок (мелкие мышевидные грызуны) несколько различаются по плодовитости. Самки стадной, или узкочерепной, полевки приносят в среднем за 1 помет по 8 детенышей. У каждой самки за жизнь бывает 4 помета. У пашенной полевки число пометов достигает 7, в среднем по 6 детенышей. Какое число потомков от одной самки каждого вида может быть получено в третьем поколении? Каким будет соотношение видов по численности и по массе, если вес стадной полевки составляет для самцов 50 г, для самок — около 34 г. а пашенной полевки — 44 и 32 г соответственно? 2. По принципу построения графика на рисунке 3 начертите кривые для видов с разной скоростью размножения: каждое следующее поколение больше материнского в 2, 3, 5 раз. Сравните конфигурацию и наклон кривых. 3. Одно растение василька голубого производит в среднем 1500 семян. Семена сохраняют всхожесть до 10 лет. Определите запасы семян этого сорняка в почве после 3 лет засорения им посевов на одном поле со средней численностью 3 растения на 1 м 2 □ Темы |