Общая Биология. Учебник для студентов высших учебных заведений Ульяновск
 Скачать 9.07 Mb.
|
|
178 Введение в экологию 14.6. Общая характеристика антропогенных экосистем Антропогенные экосистемы отличаются от естественных тем, что доминирующим экологическим фактором в них являются сообщества людей и продукты их производственной и общественной деятельности В антропогенных экосистемах искусственная (созданная сообществами людей) среда преобладает над естественной. Естественная среда ван тропогенных экосистемах выступает вочеловеченном виде, приспособленной к нуждам людей, включённой вкруг их трудовых, культурных и бытовых интересов. Важнейшие современные антропогенные экосистемы - города, сельские поселения, транспортные коммуникации сочетают в себе естественные природные) и хозяйственно-культурные условия Наиболее преобразована естественная среда в таком виде антропогенных экосистем, как город. Хотя урбанизация в истории человечества сыграла и играет прогрессивную роль (концентрация производства, научных и культурных учреждений, учебных заведений, создание благоприятных условий для решения вопросов трудоустройства, образования, снабжения продовольствием, медицинского обслуживания, быта, она сопровождалась рядом негативных последствий (обилие промышленных и бытовых отходов, загрязняющих воздух, воды, почвы высокая плотность населения, благоприятствующая для распространения инфекционных заболеваний. Из-за загрязнения воздуха средняя температура (годовая, месячная, суточная) в городах на 6-7 градусов выше, чем на окружающей территории. Задымлённость воздуха снижает в городах длительность солнечного освещения на 5-15%. В результате светового голода развивается авитаминоз Дина его почве повышается утомляемость людей, ухудшается самочувствие, снижается сопротивляемость заболеваниям. Из-за сокращённого светового дня, падения интенсивности ультрафиолетового облучения налетом и 30% зимой увеличивается содержание микробов в воздухе. К техногенным неблагоприятным факторам городской среды относятся вибрация и шум. Отрицательное воздействие на здоровье людей оказывает высокая плотность населения в условиях города, всё менее подвижный образ жизни, повышенная калорийность пищи, уменьшение количества потребляемых растительной пищи и молока. Уровень заболеваемости болезнями органов кровообращения, дыхания, нервной системы среди городского населения выше в 1,5-2 раза. Как особая антропогенная система, город в целом характеризуется наряду с положительными, также отрицательными воздействиями на людей. Введение в экологию 179 14.7. Биологическая изменчивость людей и биогеографическая характеристика среды. Экологическая дифференциация человечества Как уже отмечалось искусственная среда нивелирует прямое воздействие природных экологических факторов среды на человека Однако продолжительность соответствующего периода технической революции составляет менее 1% истории человечества. Поэтому на протяжении большей части истории вида Человек разумный серьёзное воздействие на его популяции оказывали климатический, геохимический, алиментарный, биологический (в частности, микробный и паразитарный) факторы естественной среды, направление которых различалось в разных районах планеты Различия давления естественного отбора обусловили различия приспособлений и формирование адаптивных типов людей. Адаптивный тип - это определённая норма реакций на преобладающие условия обитания, которая проявляется в развитии комплекса морфофункциональных, биохимических, иммунологических признаков, обеспечивающих лучшую биологическую приспособляемость человека к определённой физической среде Выделяют следующие адаптивные типы арктический, зоны умеренного климата, высокогорный, тропический, зоны пустынь и полупустынь и др Комплекс признаков конкретного адаптивного типа не связан с расовой и этнической принадлежностью популяции. В комплекс адаптивных признаков включают специфические и общие признаки К общим признакам относят показатели костно-мускульной массы тела, количество иммунных белков сыворотки крови Общие элементы обеспечивают повышение общей сопротивляемости организма к неблагоприятным условиям среды. Специфические признаки разнообразны и обусловлены преобладающими условиями в данном регионе (гипоксия, жара, холод и т.п.). Сочетание специфических признаков определяет формирование адаптивного типа человека. На формирование арктического адаптивного типа решающую роль оказали холодный климат и преимущественно животная пища. Арктический комплекс адаптивных признаков отличается сильным развитием кост- но-мускульного компонента тела, большими размерами грудной клетки, большим пространством, занимаемым костным мозгом, и высоким уровнем гемоглобина, высоким содержанием в крови белков и холестерина, повышенной способностью к окислению жиров, а также усиленным в целом энергетическим обменом, со стабильностью показателей в условиях переохлаждения. Так, при охлаждении у канадских индейцев резко падает температура кожи, но уровень обмена веществ меняется незначительно, ау белого населения, наоборот, наблюдается меньшая степень снижения кожной температуры, но интенсифицируется обмен (появляется сильная дрожь. 180 Введение в экологию Комплекс признаков тропического адаптивного типа формировался под влиянием таких преобладающих экологических факторов, как жаркий и влажный климат, рацион с относительно низким содержанием животного белка. Тропический адаптивный тип характеризуется следующим комплексом признаков относительно уменьшенной массой тела при увеличенной длине конечностей, уменьшенной окружностью грудной клетки, повышенным количеством потовых желёз на 1 см кожи и более интенсивным потоотделением, низкими показателями основного обмена и синтеза жиров, пониженной концентрацией холестерина в крови. Тропический адаптивный тип характеризует едва лине большую часть населения планеты и поэтому для него характерна исключительно широкая вариабельность групп населения в расовом, этническом и экономическом отношениях. Адаптивный тип умеренного пояса характеризуется комплексом признаков, занимающим промежуточное положение между таковыми арктического и тропического адаптивных типов. Биологические механизмы этого адаптивного типа определить весьма трудно, т.к. большая часть населения проживает в промышленно развитых странах с большей долей городского населения, что резко уменьшает прямое (неопосредованное) влияние факторов естественной среды на население. Температура и влажность воздуха в умеренном поясе не достигают экстремальных величин, хорошо выражен сезонный ритм биоклиматических условий. В формировании горного адаптивного типа основную роль играл такой средовой фактор, как гипоксия. В комплекс признаков горного адаптивного типа входят повышенный уровень основного обмена, относительное удлинение длинных трубчатых костей скелета, расширение грудной клетки, увеличенное содержание в крови эритроцитов и гемоглобина. Укоренных жителей Перу количество эритроцитов увеличено на 30% по сравнению с лицами, живущими на уровне моря. Несомненно, что в жарких странах происходит интенсивный естественный отбор с высоким показателем давления отбора. В менее выгодном положении оказываются тучные лица и лица, у которых меньше потовых желёз или эти железы частично повреждены (например, у альбиносов вследствие солнечных ожогов, а также люди с большим весом и размерами тела. Факторами естественного отбора, воздействующего на людей в тропической адаптивной зоне, являются большая распространённость бактерий и паразитов (из-за высокой температуры и влажности, высокая солнечная радиация, нехватка воды и др. Указанные адаптивные типы формировались независимо от расы и только в связи с приспособлением к конкретным условиям среды, а также на основе приспособительных механизмов вида, определяемых генофондом Homo sapiens. Введение в экологию 181 Развитие особенностей определённого адаптивного типа происходит в эмбриогенезе Например, уже в конце внутриутробного развития проявляются различия в пропорциях тела между негроидами и европеоидами. Существование адаптивных типов свидетельствует о значительной экологической пластичности человека, которая была основной предпосылкой расселения человека на планете. В комплекс признаков адаптивного типа входят такие, которые имеют генетическую обусловленность (форма и размер тела, характер роста, развитие скелета, отложения жира и др, закрепляются в генотипе и наследуются. Однако ряд признаков имеет в своей основе быстрые физиологические изменения, связанные с акклиматизацией (например, адаптации к действию высоких температур. Последнее хорошо иллюстрируют американские индейцы индейцы Атабаски, населяющие район Большого Медвежьего озера, живут в таких же суровых условиях, как эскимосы индейцы майя на полуострове Юкатан обитают в условиях жаркого влажного климата. Очень широк в настоящее время климатический интервал обитания европейцев в исключительно холодных условиях живут лапландцы, в жарких - итальянцы, обосновавшиеся в Северной Австралии. \ ГЛАВА 15. ЧЕЛОВЕК И БИОСФЕРА 15.1. Понятие о биосфере. Современные концепции биосферы Биосфера - оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяются совокупной деятельностью живых организмов Термин биосфера ввёл австралийский геолог Э. Зюсс в 1875 году, который понимал её как тонкую плёнку жизни наземной поверхности, в значительной мере определяющую лик Земли. Первые представления о наружной оболочке Земли как области жизни восходят к Ж.Ламарку. Заслуга создания целостного учения о биосфере принадлежит известному отечественному естествоиспытателю, основоположнику геохимии, биогеохимии и учения о биосфере В.И. Вернадскому (1863-1945). На формирование его биосферного мышления большое влияние оказали работы В.В. Докучаева о почве как о естественно-историческом теле. Основы учения о биосфере изложены В.И. Вернадским в книге Биосфера (1926) и сохраняют своё значение до настоящего времени. В.И. Вернадский придал концепции биосферы биогеохимический смысл, понимая под биосферой не только живые организмы, но и среду Центральное звено в концепции В.И. Вернадского о биосфере - представление о живом веществе Живые организмы, - писал он, - являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, её определяющей. С именем В.И. Вернадского связано также формирование социально- экономической концепции биосферы, суть которой - в превращении биосферы в ноосферу вследствие деятельности новой геологической силы. Владимир Иванович Вернадский (1863-1945) их обитания Он выделил в биосфере 7 разных, но геологически взаимосвязанных типов веществ 1) живое вещество (совокупность организмов 2) биогенное вещество (результат деятельности живых организмов - горючие ископаемые, известняки и т.п.); 3) косное вещество (образуемое процессами, в которых живые организмы не участвуют, например, изверженные горные породы 4) биокосное вещество (создаётся одновременно живыми организмами и абиогенными процессами неживой природы, например, почва 5) радиоактивное вещество 6) рассеянные атомы 7) вещество космического происхождения (метеориты, космическая пыль. Человек и биосфера 183 Исходя из того, что биосфера организована по системному принципу, а также того, что в основе её функционирования лежат круговороты веществ и энергии, сформулированы несколько современных концепций биосферы биохимическая, биогеоценотическая, кибернетическая, термодинамическая. Биогеоценотическая концепция, например, рассматривает биосферу как сложноорганизованную систему биогеоценозов (динамическую целостную систему организмов разных видов, тесно связанных со средой их обитания, биохимическая концепция - как систему моделей геохимических циклов биогенных элементов. Биосфера охватывает часть атмосферы до озонового слоя (20-25 км) и часть литосферы, особенно кору выветривания и всю гидросферу В литосфере область распространения жизни во многом определяется уровнем проникновения воды в жидком состоянии живые организмы обнаружены до глубины 7,5 км. 15.2. Живое вещество и функции биосферы Живое вещество распределено в биосфере крайне неравномерно. Максимум его приходится на приповерхностные участки суши (особенно велика биомасса тропических лесов) и гидросферы где особенно интенсивно развиваются зелёные растения и живущие за их счёт гетеротрофные организмы Основная масса организмов, обитающих в пределах литосферы, сосредоточена в почвенном слое глубина которого обычно не превышает нескольких метров. Более 90% всего живого вещества, образованного главным образом углеродом, кислородом, азотом и водородом, приходится на наземную растительность (97-98% биомассы суши Общая масса живого вещества в биосфере оценивается в 1,8-2,5 х 10 г (в пересчёте на сухое вещество) и составляет лишь незначительную часть массы биосферы (3 х 10 24 Г Суммарная биомасса организмов сухопутных видов образована на 99,2% зелёными растениями и лишь на 0,8% - животными и микроорганизмами. В океане, наоборот, уже около 93,7% совокупной биомассы приходится на долю животных и микроорганизмов В океане содержится лишь 0,13% биомассы живых существ, обитающих на Земле, хотя океан и покрывает 70% поверхности планеты. Среди животных 96% приходится на долю беспозвоночных и лишь 4% - на долю позвоночных. Несмотря на то, что масса живого вещества составляет 1/1000000 часть массы биосферы, оно, тем не менее, по заключению В.И. Вернадского, является наиболее мощным геохимическими энергетическим фактором, ведущей силой развития планеты Земля Питание, дыхание и размножение организмов и связанные сними процессы создания, накопления и распада органического вещества обеспечивают постоянный круговорот вещества и энергии. 184 Человек и биосфера Рис. 182. Упрощённая схема круговорота углерода, показывающая прохождение углерода через несколько экосистем. Прерывистыми стрелками обозначены процессы, в которых превращения углерода протекают медленнее, а сплошными -процессы с более быстрыми превращениями углерода Основной источник биогеохимической активности организмов - солнечная энергия Она используется в процессе фотосинтеза зелёными растениями и некоторыми микроорганизмами для создания органического вещества, обеспечивающего пищей и энергией остальные организмы. Благодаря деятельности фотосинтезирующих организмов около 3 млрд лет назад началось накопление в атмосфере свободного кислорода, затем образовался озоновый слой (экран, защищающий живые организмы от жёсткого космического излучения Фотосинтез и дыхание растений, поддерживающие современный газовый состав атмосферы, составляют сущность газооб менной функции биосферы. В процессе питания, дыхания, выделения, роста, размножения и смерти живых организмов создаётся, накапливается и распадается органическое вещество, что обеспечивает постоянный круговорот вещества в биосфере. С этим круговоротом связана миграция атомов химических элементов прежде всего биогенных - С, НОР, К и др, их биогеохимические циклы (рис. 182). Входе последних атомы большинства химических элементов проходили бесчисленное число раз через живое вещество. Так, например, весь кислород атмосферы оборачивается через живое вещество залет, углекислый газ - залета вся Человек и биосфера 185 кси дм азом Азот Ш г ) кси дм азом # Азот Ш г ) кси дм азом Азот Ш г ) б*Кт«рм« {N0,» и ЦОД йрикимн*»» Аммоний (МК 3 ) и uomt «ммвния Й почве «авда Деструкторы Деструкторы i ! Рис. 183. Упрощённая схема круговорота азота вода биосферы - за 2 млн лет. $ ходе таких биогеохимических циклов рис. 183) биосферой осуществляется функция синтеза и разложения органического вещества (биохимическая функция. Разные организмы в разной степени способны аккумулировать из среды обитания различные элементы, например, железобактерии - железо фо- раминиферы, многие моллюски и кишечнополостные - кальций хвощи, диатомовые водоросли, радиолярии и др. - кремний губки - йод асцидии - ванадий и т.д. Содержание углерода в растениях враз, а азота враз превышает их уровень в земной коре. Тем самым биосфера реализует свою функцию концентрации рассеянных в геосфере элементов. Под влиянием живых организмов происходит интенсивная миграция атомов элементов с переменной валентностью (Fe, Mn, Cr, S, Р, N, W), создаются их новые соединения. В этом проявляется окислительно- восстановительная функция биосферы. Наряду с отмеченными выделяют главную функцию биосферы, заключающуюся в обеспечении глобального круговорота химических элементов при участии всех населяющих планету организмов Совокупная деятельность живого вещества на Земле непрерывно поддерживала и поддерживает режим неорганической среды, необходимой для существования жизни, те относительный гомеостаз в биосфере одним из характерных свойств которого В.И. Вернадский считал организованность. 186 Человек и биосфера 15.3. Эволюция биосферы Поданным современной науки возраст Земли оценивается в 4,6 млрд лета первые признаки жизни на ней появились, поданным палеонтологии, около 3,5-3,8 млрд лет назад Первые живые организмы были гетеротрофами которые использовали для жизнедеятельности абиогенные органические молекулы. Однако стечением времени происходило уменьшение концентрации свободного органического вещества в окружающей среде, и преимущество получали организмы, которые обретали способность синтезировать органические соединения из неорганических. Таким путём 2-3 млрд лет тому назад возникли первые фотосинтезирующие клетки типа цианобактерий способные использовать световую энергию для синтеза органических соединений из СО и НО Выделяя при этом О автотрофы изменяли состав атмосферы, после чего она стала приобретать окислительный характер. Таким образом жизнь, возникшая на Земле, изменила те условия, которые сделали возможным её появление, в частности, атмосферу восстановительного типа, содержавшую метан, аммиак, сероводород и др. вещества. С увеличением содержания кислорода в атмосфере сформировалась достаточно мощная озоновая оболочка (слой которая защитила поверхность Земли от проникновения жёсткого космического, в том числе ультрафиолетового излучения Это создало возможность для распространения жизни в толще океана к его поверхности и последующего выхода живых организмов на сушу В течение палеозойской эры (начало - 570 ± 20 млн лет, конец - 340 ± 10 млн лет назад жизнь, заполнив все моря, вышла на сушу Происходила интенсивная эволюция высших растений, представленных в палеозое почти всеми группами споровых и голосеменных В палеозое сформировались основные типы и классы беспозвоночных, а также позвоночных, исключая птиц и млекопитающих Если для первой половины палеозоя характерно господство водных, преимущественно морских беспозвоночных, появление рыбообразных и рыб, преобладание различных водорослей, то для второй половины - освоение суши растениями и животными беспозвоночными, земноводными и пресмыкающимися. Эволюция биосферы осуществлялась на протяжении её большей части истории под влиянием двух главных факторов 1) естественных геологических и климатических изменений на планете 2) изменений видового состава и количества живых существ в процессе биологической эволюции. В третичном периоде кайнозойской эры добавился третий (современный) фактор - человеческое общество Соответственно этап биогенеза в эволюции биосферы сменился этапом ноогенеза. В эволюции биосферы можно выделить следующие основные тенденции |