Почему гибель организмов от ддт наблюдается в период нехватки корма

12.3.8. Эффекты концентрации веществ в пищевых цепях

После второй мировой войны стало быстро возрастать число различных синтетических веществ, выбрасываемых в окружающую среду. Это прежде всего гербициды и пестициды, предназначенные для уничтожения организмов (особенно сорняков и насекомых), наносящих вред урожаям, домашнему скоту и самому человеку. Среди первых применявшихся с успехом пестицидов была группа хлорированных углеводородов, в том числе ДДТ (дихлордифенилтрихлроэтан), диэлдрин и алдрин. Эти вещества ядовиты для многих животных и человека, но особенно вредоносны для птиц, рыб и беспозвоночных. В середине 60-х годов неожиданным для многих ученых явилось сообщение о том, что ДДТ обнаружен в печени пингвинов в Антарктиде-месте весьма удаленном от районов возможного применения ДДТ.

12.11. На рис. 12.14 показано, какие количества ДДТ содержатся на различных трофических уровнях в пищевой цепи. Эти данные были собраны в США.

а) Если концентрация ДДТ в воде, окружающей водные растения, составляет 0,02 ч. на млн., то во сколько раз она возрастает при переходе ДДТ 1) в первичных продуцентов, 2) в мелких рыб, 3) в крупных рыб и 4) в тела хищных птиц, завершающих пищевую цепь?

б) Какие заключения вы можете вывести из вашего ответа на вопрос а?

в) 1) На каком трофическом уровне ДДТ скорее всего оказывает наибольшее влияние? 2) На каком уровне его легче всего обнаружить?

3) На каком уровне находятся насекомые – вредители урожаев (обычная “мишень” для ДДТ)?

г) Какими путями ДДТ мог попасть в печень пингвинов?

д) Большое Чистое озеро в Калифорнии служило местом отдыха, в частности рыбной ловли. В 1940-е годы нарушение естественной экосистемы из-за эвтрофизации (обогащение питательными веществами, см. разд. 3.2.8 и 12.4.6) привело к увеличению популяций мелких двукрылых насекомых. В 1949, 1954 и 1957 гг. эти популяции были обработаны распыленным ДДД (вещество, сходное с ДДТ), В результате первой и второй обработки было уничтожено около 99% этих насекомых, но они быстро восстановили свою численность, а третья обработка ДДД почти не оказала действия.

Анализ небольших рыб, выловленных в озере, показал, что содержание ДДД в мышцах рыб, употребляемых человеком в пищу, составляет 1-200 ч. на млн., а в жировой ткани 40-2500 ч. на млн. Популяция западных поганок, насчитывавшая около 1000 особей и кормившаяся на озере, вымерла, а содержание ДДД в их жировых тканях составляло 1600 ч. на млн.

1. Объясните, почему с помощью ДДД не удалось уничтожить мелких двукрылых насекомых и почему они так быстро восстановили свою численность после повторного применения ядохимиката.

2. Было замечено, что многие животные погибают от отравления ДДТ в те периоды, когда им не хватает пищи. Объясните это явление, основываясь на ранее приведенных данных.

е) В Великобритании зимы 1946-1947 и 1962- 1963 гг. были особенно суровыми. Смертность среди птиц была велика в обе зимы, но во вторую из них была особенно высокой. Чем это можно объяснить, учитывая приведенные ранее данные о применении ДДТ?

Рис. 12.14. Количество ДДТ, заключенное в биомассе организмов, находящихся на разных трофических уровнях пищевой цепи. Цифрами выражено количество весовых единиц ДДТ. приходящееся на 1 млн. весовых единиц биомассы

От отравления пестицидами очень сильно пострадали некоторые хищники верхних трофических уровней, больше всего птицы. Например, из-за отравления ДДТ на востоке США полностью исчез сапсан. Птицы наиболее уязвимы потому, что ДДТ вызывает гормональные изменения, влияющие на обмен кальция. В результате скорлупа откладываемых яиц становится тоньше, и они значительно чаще разбиваются. Содержание ДДТ в жировых тканях человеческого тела достигает в США 12-16 ч. на млн., тогда как официально установленный предел допустимого содержания его в пищевых продуктах составляет 7 ч. на млн.

Позже был создан ряд сильнодействующих, но быстро разрушающихся пестицидов, таких, как органофосфаты (например, малатион), и применение ДДТ резко сократилось. Однако производство ДДТ обходится сравнительно дешево, и он по-прежнему остается наиболее пригодным для определенных целей, например для борьбы с малярией. Решая вопрос о применении пестицидов, мы часто вынуждены из двух зол выбирать меньшее. Благодаря ДДТ во многих районах земного шара удалось полностью искоренить малярию. На острове Маврикий, например, хотя с 1900 г. рождаемость значительно не изменилась, произошел взрыв численности населения, так как гораздо меньше детей стало умирать от этой болезни. За 10 лет в результате распыления ДДТ смертность от малярии упала со 150 до 50 случаев на 1 тыс. детей.

12.12. Какими свойствами в идеале должны обладать, по вашему мнению, вновь создаваемые пестициды?

Математическая модель зависимости численности растения от времени имеет вид:

.

График, построенный по полученному уравнению, представлен на рис. 1.16.

1.3. Экосистемы и биосфера

Основные термины и понятия

Экологическая система – взаимосвязанная, единая функциональная совокупность живых организмов и среды их обитания. Составными частями экосистемы являются биоценоз (совокупность живых организмов) и биотоп (место их жизни, неживые компоненты). Для обозначения природных экосистем используется термин «биогеоценоз».

Биомы – наиболее крупные наземные экосистемы, соответствующие основным климатическим зонам Земли: пустынные, травянистые, лесные.

Продуктивность экосистемы – скорость, с которой продуценты усваивают лучистую энергию в процессе фотосинтеза и хемосинтеза, образуя органическое вещество, которое может быть использовано в качестве пищи другими организмами (биомасса, производимая на единице площади в единицу времени).

Гомеостаз – способность экосистем (организмов, популяций) противостоять изменениям и сохранять равновесие.

Сукцессия – последовательная смена биоценозов на одной и той же территории, ведущая к повышению устойчивости экосистемы.

Первичная сукцессия – процесс развития и смены биоценозов на незаселенных ранее участках.

Вторичная сукцессия происходит на месте сформировавшегося биоценоза после его нарушения по какой-либо причине (пожар, вырубка леса, засуха).

Трофическая цепь – цепь последовательной передачи вещества и эквивалентной ему энергии от одних организмов к другим.

Биосфера – своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.

Классификация веществ по :

1. Живое вещество – совокупность живых организмов, населяющих планету Земля.

2. Косное вещество – неживое вещество, образованное процессами, в которых живое вещество участия не принимало.

3. Биокосное вещество – структура из живого и косного вещества, которая создается одновременно косными процессами и живыми организмами.

4. Биогенное вещество – вещество, которое возникло в результате разложения остатков живых организмов, но еще не полностью минерализовано.

ВопросыТемы для обсуждения

1.  Понятие «экологическая система». Структура экосистемы.

2.  Основные экосистемы Земли и их характеристика.

3.  Пространственная структура экосистем.

4.  Механизмы саморегуляции экосистем.

5.  Понятие «сукцессия». Виды сукцессии.

6.  Трофический уровень, трофические цепи и сети. Распределение энергии в трофических цепях. Правило перехода энергии по трофической цепи.

7.  Продуктивность. Первичная и вторичная продуктивность.

8.  Экологические пирамиды.

9.  Большой и малый круговороты веществ.

10. Круговороты воды, углерода, азота, кислорода, фосфора. Влияние человека на круговороты веществ.

11. Понятие «биосфера». Структура и границы биосферы.

12. Категории веществ биосферы по Вернадскому .

13. Классификация живого вещества по типу питания и по экологическим функциям. Примеры различных групп организмов.

14. Функции живого вещества.

15. Действие I и II законов термодинамики для экосистем.

16. Основные законы, определяющие функционирование биосферы.

17. Понятие «ноосфера».

18. Основные теории происхождения жизни.

Структура экосистемы

Термин «экосистема» предложен в 1935 г. английским экологом А. Тенсли. Экосистема – понятие очень широкое и применимо как к естественным, так и к искусственным комплексам.

На рис. 1.17 представлена блоковая модель экосистемы (по ). Любая экосистема состоит из двух блоков. Один из них представлен комплексом взаимосвязанных живых организмов – биоценозом, а второй – факторами среды – биотопом или экотопом.

Рис. 1.17. Схема биогеоценоза по

Трофическая структура биоценозов

Важнейший вид взаимоотношений между организмами это пищевые связи. По пищевым (трофическим) цепям происходит передача веществ и энергии от одного, называемого звеном организма, к другому. В природе трофические цепи связаны между собой общими звеньями и образуют трофические сети.

Простейшая цепь питания состоит из трех основных звеньев: продуценты, консументы, редуценты.

Продуценты (автотрофы) – организмы, которые питаются неорганическими веществами, создавая органическую материю. Это фотосинтезирующие зеленые растения, синезеленые водоросли, некоторые хемосинтезирующие бактерии.

Консументы (гетеротрофы) – организмы, питающиеся другими существами. Потребляют только готовые органические вещества. К ним относятся животные, человек, грибы и др.

Животные, питающиеся непосредственно продуцентами, называются консументами первого порядка, или первичными. Их самих употребляют в пищу вторичные консументы.

Редуценты (миксотрофы) – организмы, разлагающие органические вещества до минерального состояния. Продукты жизнедеятельности редуцентов являются пищей для продуцентов. Тем самым редуценты завершают биохимический круговорот. Примерами этих организмов являются грибы, бактерии, мелкие беспозвоночные.

Продуценты, консументы и редуценты при передаче по трофическим цепям вещества и эквивалентной ему энергии образуют трофические уровни.

Экологические пирамиды

Для наглядности представления взаимоотношений различных видов в биогеоценозе используют экологические пирамиды. Известно три основных типа экологических пирамид: пирамида численности, пирамида биомассы и пирамида энергии.

Пирамида численности (пирамида Элтона) представляет собой набор прямоугольников. В основании пирамиды находится прямоугольник с площадью пропорциональной количеству организмов-продуцентов. Над ним последовательно установлены прямоугольники отражающие численность организмов-продуцентов первого, второго и т. д. порядков. Завершает пирамиду прямоугольник с площадью пропорциональной численности редуцентов.

Обычно выполняется следующая закономерность: количество особей, составляющих последовательный ряд звеньев от продуцентов к консументам, уменьшается. Однако, в пирамидах численности живые организмы, имеющие различную массу, учитываются одинаково. Поэтому данное правило часто не выполняется. Например, одно дерево способно прокормить большое количество гусениц. Поэтому более удобно использовать пирамиды биомассы, которые рассчитываются не по количеству особей на каждом трофическом уровне, а по их суммарной массе, которая называется биомассой.

Пирамида биомассы характеризует массу живого вещества – указывает количество живого вещества на данном трофическом уровне (г/м2, г/м3).

В наземной экосистеме суммарная масса растений превышает массу всех травоядных, а масса травоядных превышает биомассу хищников.

Недостатком пирамиды биомассы является то, что она не отражает энергетическую значимость организмов и не учитывает скорость создания биомассы, что приводит к аномалиям в виде «неправильных» пирамид в виде гриба на тонкой ножке. Например, для океана пирамида биомассы имеет перевернутый вид, что объясняется высокой скоростью создания и потребления органического вещества. Основной причиной данной аномалии являются фитопланктон и зоопланктон. Биомасса зоопланктона превышаем биомассу потребляемого им фитопланктона. Однако скорость размножения фитопланктона настолько велика, что в течение малого времени он восстанавливают свою биомассу.

От данных недостатков свободны пирамиды энергии. Пирамида энергии отражает количество энергии (на ед. площади или объема), прошедшее через каждый трофический уровень экосистемы за определенный промежуток времени (например, за год).

Пирамида энергии отражает динамику прохождения массы пищи через трофическую цепь, что принципиально отличает ее от предыдущих пирамид, отражающих статические параметры. На форму этой пирамиды не влияет изменение размеров и интенсивности метаболизма особей. Если учтены все потоки энергии, то пирамида энергий всегда будет иметь правильный вид. Этот вид пирамид наиболее информативен, но наиболее труден для построения. Вид пирамид представлен на рис. 1.18.

Рис. 1.18. Экологические пирамиды

На основании исследований пирамид энергий различных экосистем сформулирован закон (правило) десяти процентов, называемый также законом пирамиды энергий. Он гласит, что с одного трофического уровня экологической пирамиды на другой, более высокий ее уровень передается около 10 % энергии (1942 г., Р. Линдеман). Например, за счет 1 т съеденной растительной массы может образоваться 100 кг массы тела травоядного животного, а за счет последнего – 10 кг массы тела хищников.

Взаимоотношения организмов в экосистеме и устойчивость экологических систем

Отношения организмов в экологической системе разделяют на внутривидовые и межвидовые. Внутривидовые взаимоотношения в основном ограничиваются процессами воспроизводства потомства и конкурентным отбором. Межвидовые взаимоотношения более разнообразны. К ним относят хищничество, связанное с поеданием одного организма другим, паразитизм, межвидовую конкуренцию в борьбе за природные ресурсы и многое другое.

Межвидовые взаимоотношения играют большую роль в динамике численности организмов. Хищники, уничтожая свои жертвы, влияют на их численность. Такое же действие оказывают и паразиты.

В системе «хищник – жертва» численности хищника соответствует определенная численность жертвы и по мере возрастания плотности популяции жертвы увеличивается и плотность популяции хищника. Повышение же численности хищника приводит к снижению численности жертвы, что опять снижает количество хищников. Так происходят периодические колебания численности популяций хищника и жертвы с небольшими отклонениями от какого-то оптимального уровня (рис. 1.9).

Несмотря на кажущийся вред, наносимый хищником жертве, с экологических позиций ни один вид организмов экосистемы не стремится и не может уничтожить другой вид. Более того, исчезновение так называемого естественного врага может привести к вымиранию того вида, которым он питается. Это объясняется тем, что основой бесконечного существования жизни является круговорот веществ – процесс движения вещества из минерального состояния при помощи продуцентов в органическую форму, а затем через цепь консументов и редуцентов вновь в минеральное состояние. Разрыв трофических цепей может привести к прекращению круговорота веществ, истощению элементов питания автотрофов и гибели всей экосистемы. Поэтому устойчивая к изменчивым факторам окружающей среды экосистема обладает большим видовым разнообразием населяющих ее организмов, то есть разветвленной трофической сетью. В такой экосистеме даже полная гибель организма определенного вида не приводит к полному уничтожению круговорота веществ. Например, гибель зайцев не приведет к вымиранию лисиц, так как они могут питаться мышами и белками.

Таким образом, способность экологической системы противостоять изменчивым условиям окружающей среды определяется как минимум двумя факторами: видовым разнообразием населения экосистемы и наличием круговорота веществ, который математически был описан Н. Винером. Этот американский математик доказал, что экосистемы, в которых происходит круговорот веществ, описываются уравнениями идентичными описанию систем автоматического регулирования, предназначенных для поддержания неизменной величины регулируемых параметров. Именно Винер внес в экологию такие присущие теории автоматического регулирования термины, как помехи (внешние дестабилизирующие экосистему воздействия) и обратная связь (замкнутость процесса передачи вещества и эквивалентных ему энергии и информации).

С понятием устойчивости экологической системы связаны ранее расшифрованные понятия гомеостаза и сукцессии.

Пример

Даны следующие организмы: тля, дрозд, паук, розовый кустарник, божья коровка, сокол.

1.  Составьте пищевую цепь.

2.  Укажите количество трофических уровней.

3.  Укажите консумента I уровня в этой цепи.

4.  Зная правило перехода энергии с одного трофического уровня на другой и, предполагая, что животные каждого трофического уровня питаются только организмами предыдущего уровня, рассчитайте, сколько понадобится растительности, чтобы вырос один сокол весом 3 кг.

Решение.

1.  Пищевая цепь: розовый кустарник – тля – божья коровка – паук – дрозд – сокол.

2.  Количество трофических уровней: 6.

3.  Консумент I уровня: тля.

4.  В соответствии с правилом перехода энергии – с одного трофического уровня на последующий передается 10 % энергии. Следовательно, сокол весом 3 кг составляет 10 % от массы предыдущего трофического уровня, т. е. от общей массы дроздов. Тогда масса дроздов – 30 кг. Аналогичным образом последовательно находим массу всех трофических уровней в цепи. Масса растительности необходимой для того чтобы вырос один сокол весом 3 кг составляет 300000 кг или 300 т.

Вопросы и задачи

Задача Задания

1. Постройте возможные схемы пищевых цепей, включив в них следующие организмы: трава, кролик, почвенные грибы, ягодный кустарник, жук-навозник, растительноядное насекомое, паук, воробей, ястреб, волк, лисица, сова, уж обыкновенный, ястреб, травяная лягушка, заяц, полевка, тля, божья коровка, дуб, медуница, мухоловка, короед, дятел, муха-журчалка. Назовите организмы по типу питания.

Задача 2. Выберите, какая из предложенных последовательностей правильно показывает передачу энергии в пищевой цепи:

а) лисица – землеройка – дождевой червь – листовой опад – растения;

б) листовой опад – дождевой червь – растения – землеройка – лисица;

в) растения – листовой опад – дождевой червь – землеройка – лисица;

г) растения – землеройка – дождевой червь – листовой опад – лисица.

В выбранной последовательности укажите количество трофических уровней и назовите организмы по типу питания.

Задача 3. Постройте пирамиды биомассы озера в зимний и весенний период по данным таблицы (по Грину, Стауту, Тейлору, 1990):

Предложите возможные трофические цепи, подходящие для озера. Объясните, почему в течение года пирамида «переворачивается».

Задача 4. Зная правило перехода энергии с одного трофического уровня на другой, и предполагая, что животные каждого трофического уровня питаются только организмами предыдущего уровня, постройте пирамиду годовой биологической продуктивности следующей пищевой цепи:

растения – кузнечики – лягушки – ужи – ястребы.

Постройте пирамиду чисел этой пищевой цепи, зная, что масса 1 побега травянистого растения – 5 г; 1 кузнечика – 1 г; 1 лягушки – 10 г; 1 ужа – около 100 г; 1 ястреба – 1,8 кг (по Жердеву, Успенскому, Дорогань, 2001). Определите количество особей на каждом трофическом уровне исходя из того что общая годовая продуктивность данной цепи составляет 40 тонн.

Задача 5. Ниже приведены данные о количестве ДДТ, заключенном в биомассе организмов, находящихся на разных трофических уровнях пищевой цепи (в единицах массы ДДТ на 1 млн. единиц биомассы):

вода (0,02) – кладофора (0,04) – карась (10) – щука (50) – скопа (75).

В чем заключается эффект концентрации ядохимикатов в пищевых цепях? Рассчитайте кратность увеличения концентрации на последовательных уровнях данной пищевой цепи. На каком уровне ДДТ окажет наиболее сильное влияние? Объясните, почему гибель организмов (птиц, млекопитающих) от ДДТ наблюдается в период нехватки корма?

Задача 6. В таблице приведены первичная продукция и растительная биомасса некоторых экосистем Земли (по Уиттекеру, 1980):

Окончание таблицы

Используя данные таблицы, определите участие (в %) различных типов экосистем Земли в формировании биомассы и первичной продукции (ПП) биосферы.