1. Экологические стратегии выживания. Регуляция плотности популяции
Экологические стратегии выживания
Говоря о животных, выделяют две основные стратегии выживания – r- и К-стратегии.
Согласно логистической модели роста численности популяции в этом процессе можно выделить две фазы:
r-фаза — с ускоряющимся ростом;
К-фаза — с замедляющимся ростом.
Рост популяций некоторых видов большую часть времени соответствует r-фазе. У подобных видов максимальную репродуктивную ценность имеют особи, которые способны к быстрому размножению. Естественный отбор таких особей будет способствовать повышению репродуктивного потенциала, а виды, возникающие в его результате, известны как r-стратеги.
Если рост популяции подавляющую часть времени соответствует K-фазе, то максимальной репродуктивной ценностью будут характеризоваться особи, которые способны получить необходимую им долю ресурса даже при условии его дефицита. В результате действия естественного отбора, направленного на увеличение затрат на развитие каждой особи и повышение ее конкурентоспособности, будет формироваться виды, которые известны как К-стратеги.
Особенности r- и К-стратегий выживания представлены в таблице.
Таблица
Особенности r- и K- отбора и стратегий
Характеристики r-отбор и r-стратеги K-отбор и K-стратеги
Климатические условия Изменчивые, непредсказуемые Постоянные, предсказуемые
Характер смертности Катастрофический, не зависит от плотности популяции Смертность вызвана конкуренцией, зависит от плотности популяции
Кривая смертности Как правило III типа Как правило I или II типа
Показатели численности популяций Изменчивые, неравновесные Постоянные, близкие к предельной емкости среды
Состояние свободных ресурсов Свободные ресурсы имеются в наличии Свободных ресурсов практически не бывает
Острота внутри- и межвидовой конкуренции Слабая Сильная
Размеры тела Мелкие Крупные
Темпы развития Быстрые Медленные
Сроки наступления половозрелости
Ранние Поздние
Интенсивность процесса размножения Высокая Низкая
Размножение в течение жизни Часто однократное Неоднократное
Число потомков в выводке Много Мало, часто один
Количество ресурсов на одного потомка Низкое Высокое
Продолжительность жизни Короткая Долгая
Приспособления Примитивные Совершенные
Оптимизируется в ходе естественного отбора Продуктивность Эффективность

Таким образом, типичная r-стратегия предполагает как можно более ранее и интенсивное размножение особей, поэтому r-стратеги зачастую имеют возможность использовать только один сезон размножения.
Типичные K-стратеги существует в высоко конкурентной среды, в которой выживет только тот потомок, на развитие которого потрачено значительное количество ресурсов. Соответственно, чтобы выжить и оставить потомство, взрослая особь должна затратить значительное количество энергии на поддержание и развитие собственного организма. Поэтому K-стратеги, как правило, рождают по одному потомку за один раз (например, слоны и киты). Однако, чтобы популяция продолжала существование, у одной пары родителей в течение жизни должно родиться более двух потомков. Соответственно, для выживания K-стратегов необходимым условием является многократность размножения особей в популяции.
В отношении растений используется несколько иная система классификации стратегий выживания. Раменский Л.Г. выделил три основные группы растений: виоленты, патиенты и эксплеренты. Позднее эти группы были описаны под другими названиями Дж. Граймом.
Тип C (competitor, конкурент), или виолент по Раменскому большую часть энергии затрачивает на поддержание жизни взрослых организмов. Как правило такие виды доминируют в устойчивых сообществах. Этот тип чаще всего представлен деревьями, кустарниками или мощными травами (например, тростник). Их можно назвать «силовиками», которые успешно подавляют всех конкурентов.
Тип S (stress-tolerant, стресс-толерант); или патиент по Раменскому способен выносить неблагоприятные условия благодаря специальным адаптациям, поэтому в состоянии использовать ресурсы там, где за них почти никто не конкурирует. Этот тип, как правило, представлен медленно растущими организмами (например, сфагнум, лишайники). Сюда же можно отнести тенелюбивые, солелюбивые и другие виды.
Тип R (от лат. ruderis, рудерал), или эксплерент по Раменскому замещает виолентов в разрушенных сообществах или использует временно невостребованные другими видами ресурсы. Этот тип представлен однолетними или двухлетними растениями, производящими большое количество семян, которые способны к образованию «банка» семян в почве или к эффективному распространению на значительные расстояния (например, одуванчик, иван-чай). Эти особенности позволяют подобным растениям «дожидаться» момента высвобождения ресурсов или вовремя захватывать свободные участки. Эти виды являются своеобразными «наполнителями», способными быстро появляться на вырубках, гарях и т.п.
Многие виды способны к совмещению разных типов стратегий. Так, сосну относят к категории CS, так как она способна хорошо расти на бедных песчаных почвах. Крапиву относят к категории CR, поскольку она часто является доминирующим видом на нарушенных местообитаниях.
r-стратегам соответствуют организмы R-типа, эксплеренты. Однако K-стратегам соответствуют не только организмы C-типа, виоленты, но и те, кто относятся к S-типу, патиентам.
Регуляция плотности популяции
Любая популяция организмов в определенных условиях характеризуется неким средним уровнем численности. Постоянно происходят некоторые отклонения от данного уровня, которые могут иметь различный размах, однако в норме спустя некоторое время численность популяции возвращается к исходному уровню.
В этих процессах выделяют две принципиально разных составляющих: модификацию и регуляцию.
Модификацией называют случайное отклонение численности, которое возникает в результате действия самых разнообразных факторов, не связанных с плотностью популяции. Регуляцией называют возврат численности популяции к исходному состоянию, совершающийся под действием факторов, зависящих от плотности популяции.
Соответственно, можно выделить модифицирующие (то есть независящие от плотности популяции) и регулирующие (то есть зависящие от плотности популяции) экологические факторы. Модифицирующие факторы могут действовать на живые организмы как непосредственно,так и посредством изменения других компонентов биоценоза. Эти факторы вызывают изменение численности популяций, но сами не испытывают влияния этих изменений, таким образом их действие является односторонним. Модифицирующими факторами являются все виды абиотических влияний среды на организмы.
Регулирующие факторы связаны с существованием и активностью живых организмов (биотические факторы), так только живые существа в состоянии реагировать на плотность своей популяции и популяций других видов по принципу отрицательной обратной связи. Соответственно, регулирующие факторы представлены межвидовыми и внутривидовыми отношениями между организмами.
Выделяют три основных типа зависимости численности популяции от плотности:
— уменьшение скорости роста популяции при увеличении плотности;
— максимальный темп увеличения численности популяции при средних значениях плотности;
— неизменный темп роста популяции до определенных значений численности с последующим его резким снижением.
Также выделяют три основных типа динамики численности популяций.
Для стабильного типа характерен небольшой размах колебаний. Численность популяции может измениться в несколько раз, но не на несколько порядков величин. Данный тип характерен для видов с хорошо выраженными механизмами популяционного гомеостаза, высокой выживаемостью, низкой плодовитостью, большой продолжительностью жизни, сложной возрастной структурой, развитой заботой о потомстве. Такова, например, динамика численности популяций крупных млекопитающих и птиц, а также ряда беспозвоночных.
Для флюктуирующего типа характерны колебания численности, которые происходят в значительном интервале и различаются на один-два порядка величин. Однако возврат к исходному стабильному состоянию происходит относительно быстро. Регуляторные механизмы увеличивают свою эффективность вслед за увеличением плотности. Такой тип динамики встречается в разных группах животных.
Взрывной тип характеризуется вспышками массового размножения. При этом прекращение действия модифицирующих факторов не приводит к быстрому возврату популяции в стабильное состояние. Для подобных популяций периодически регистрируется чрезвычайно высокий и необычайно низкий уровень численности. Подобный тип динамики характерен для видов, имеющих малую продолжительность жизни, высокую плодовитость, быструю смену поколений, например, некоторым насекомым (саранчовые, вредители леса – усачи, короеды, ряд чешуекрылых и пилильщиков и др.). Среди млекопитающих такой тип динамики отмечен в популяциях многих мышевидных грызунов.

2. Инженерная экологическая защита: современные направления. Нормирование качества окружающей среды

В настоящее время выделяют такие основные направления инженерной экологической защиты от загрязнения и других видов антропогенных воздействий, как внедрение ресурсосберегающей, безотходной и малоотходной технологии, биотехнология, утилизация и детоксикация отходов.
Главным общим направлением инженерной экологической защиты можно считать «экологизацию» производства, то есть разработку и внедрение таких инженерных схем, которые обеспечивали бы включение всех видов взаимодействия человека с окружающей средой в естественные циклы круговорота веществ.
Иные пути защиты окружающей среды, например, создание даже самых совершенных очистных сооружений, не решат экологические проблемы современности, так как будут направлены на борьбу со следствием, а не с причиной. Основной причиной загрязнения биосферы можно считать ресурсоемкие и загрязняющие технологии переработки и использования сырья.
Принципиально новым подходом к развитию промышленного и сельскохозяйственного производства является разработка малоотходных и безотходных технологий.
Под безотходной технологией, согласно определению ООН, принятому в 1984 г, понимают способ производства продукции, при котором происходит наиболее рациональное и комплексное использование сырья и энергии в цикле сырьевые ресурсы — производство — потребитель — вторичные ресурсы, что сводит к минимуму негативные воздействия на окружающую среду.
Согласно другой формулировке, безотходная технология – это способ производства, обеспечивающий максимально полное использование перерабатываемого сырья и образующихся при этом отходов.
Следует отметить, что более точным является понятие «малоотходная технология», поскольку достижение полной «безотходности» невозможно в принципе, так как противоречит второму началу термодинамики.
Малоотходная технология – это технология, которая позволяет получить желаемый продукт с образованием минимального количества твердых, жидких и газообразных отходов. На современном этапе развития научно-технического прогресса подобный подход является наиболее реальным. Огромное значение для снижения уровня загрязнения окружающей среды, экономии сырья и энергии имеет повторное использование материальных ресурсов, так называемая рециркуляция.
В комплекс мероприятий, направленных на максимально возможное сокращение количества вредных отходов, входят:
— разработка различных типов бессточных технологических систем и водооборотных циклов на основе очистки сточных вод;
— разработка систем переработки отходов производства во вторичные материальные ресурсы;
— создание и выпуск новых видов продукции с учетом требований повторного ее использования;
— создание принципиально новых производственных процессов, которые позволяют исключить или сократить технологические стадии, приводящие к образованию отходов.
Начальным этапом подобных мероприятий является внедрение оборотных, вплоть до полностью замкнутых, систем водопользования.
Под оборотным водоснабжением понимается техническая система, предусматривающая многократное использование в производстве отработанной воды (после ее очистки и обработки) при очень ограниченном сбросе (до 3%) в водоемы.
Замкнутый цикл водопользования — это система промышленного водоснабжения и водоотведения, в которой многократное использование воды в одном и том же производственном процессе осуществляется без сброса сточных и других вод в природные водоемы.
Кроме того, важнейшим направлением в области создания безотходных и малоотходных производств является замена водоемких технологических процессов безводными или маловодными.
К сожалению, следует отметить, что полный перевод промышленного и сельскохозяйственного производства на безотходную и безводную технологии и создание полностью экологизированных производств в настоящее время не возможно из-за целого ряда проблем различного характера — организационных, научно-технических, финансовых и др..
Важным направлением инженерной экологической защиты является также разработка и внедрение биотехнологических процессов, которые основаны на использовании микроорганизмов для создания необходимых для человека продуктов, явлений и эффектов.
Применительно к охране окружающей человека природной среды биотехнологию можно рассматривать как разработку и создание биологических объектов, микробных культур, сообществ, их метаболитов и препаратов, путем включения их в естественные круговороты веществ, элементов, энергии и информации.
В настоящее время биотехнология нашла широкое применение в охране окружающей среды, в частности, при решении следующих прикладных вопросов:
— утилизация твердой фазы сточных вод и твердых бытовых отходов с помощью анаэробного сбраживания;
— биологическая очистка природных и сточных вод от органических и неорганических соединений;
— микробное восстановление загрязненных почв, получение микроорганизмов, способных нейтрализовать тяжелые металлы в осадках сточных вод;
— компостирование (биологическое окисление) отходов растительности (опад листьев, соломы и др.);
— создание биологически активного сорбирующего материала для очистки загрязненного воздуха.
Внедрение любых природоохранных программ и технологий требует нормирования качества окружающей природной среды, под которым понимают деятельность по установлению нормативов предельно допустимых воздействий человека на природу. Гигиенические нормативы – это наиболее разработанная система норм, правил и регламентов для оценки качества окружающей природной среды.
Современная система экологических нормативов и стандартов включает:
— нормативы качества окружающей среды;
— нормативы предельно допустимого вредного воздействия на состояние окружающей среды;
— нормативы использования природных ресурсов;
— экологические стандарты;
— нормативы санитарных и защитных зон.
Методологическую основу для разработки санитарно-гигиенических и санитарно-эпидемиологических стандартов составляют методы медицинской и ветеринарной токсикологии.
Нормативы качества окружающей среды устанавливаются в форме нормативов предельно допустимых концентраций (ПДК) вредных веществ, а также вредных микроорганизмов и других биологических веществ, загрязняющих окружающую среду, и нормативов предельно допустимых уровней (ПДУ) вредных физических воздействий на нее. Установленные в соответствии с требованиями законодательства нормативы качества окружающей среды служат одним из юридических критериев для определения ее благоприятного состояния.
ПДК – это максимальная концентрация вещества, не оказывающая прямого или косвенного воздействия на здоровье человека на протяжении всей его жизни и не влияющая на здоровье его потомков.
Для каждого вредного вещества в воздухе устанавливают, по крайней мере, два нормативных значения: ПДК в воздухе рабочей зоны (ПДКр.з) и ПДК в атмосферном воздухе ближайшего населенного пункта (ПДКа.в).
ПДК р.з — это концентрация, которая при работе не более 41 часа в неделю в течение всего рабочего стажа не может вызвать заболеваний у работающих и их детей.
ПДК а.в — это предельная концентрация, которая на протяжении всей жизни человека не должна оказывать на него вредного влияния, включая отдаленные последствия на окружающую среду в целом.
С учетом времени воздействия в атмосферном воздухе устанавливают ПДК максимально-разовую (ПДКм.р.) и ПДК среднесуточную (ПДКсс.).
Максимально-разовая ПДК устанавливается для предотвращения рефлекторных реакций организма человека при кратковременном (20 минут) воздействии вредного вещества.
Среднесуточная ПДК – установлена для предупреждения общетоксического, канцерогенного, мутагенного и другого влияния вещества на организм человека. Оцениваемые по этому нормативу вещества обладают способностью временно или постоянно накапливаться в организме человека.
Необходимость такого раздельного нормирования определяется тем, что на предприятии в течение рабочего дня работают практически здоровые люди, а в населенных пунктах круглосуточно находятся не только взрослые, но и дети, пожилые и больные люди, беременные и кормящие женщины и др. Поэтому ПДКр.з > ПДКа.в.
При нормировании качества природных вод необходимо учитывать не только возможное ее влияние на здоровье человека, но и необходимость сохранения водных экосистем, как важнейших регуляторов условий жизни планеты. К сожалению, действующие нормативы качества природных вод ориентированы главным образом на интересы здоровья человека и рыбного хозяйства и практически не обеспечивают экологическую безопасность водных экосистем.
Требования к качеству воды зависят от целей использования. Выделяют три вида водопользования:
Хозяйственно-питьевое — использование водных объектов или их участков в качестве источника хозяйственно-питьевого водоснабжения, а также для водоснабжения предприятий пищевой промышленности;
Культурно-бытовое — использование водных объектов для купания, занятий спортом и отдыха. К этому виду водопользования относятся и участки водных объектов, находящиеся в черте населенных мест, независимо от их использования;
Водоемы рыбо-хозяйственного назначения.
Под ПДК природных вод подразумевается концентрация индивидуального вещества в воде, при превышении которой она непригодна для установленного вида водопользования. При концентрации вещества равной или меньше ПДК вода так же безвредна для всего живого, как и вода, в которой полностью отсутствует данное вещество.
Таким образом, для одного и того же вещества могут устанавливаться разные предельные концентрации в зависимости от типа водоёма. Если водоем используется для нескольких видов водопользования, то в качестве ПДК выбирается самая низкая, т. е. самая жесткая предельно допустимая концентрация вещества.
Загрязняющие вещества в почве нормируются в пахотном слое почвы сельскохозяйственных угодий, в почве территорий предприятий, в почвах жилых районов в местах хранения бытовых отходов.
В почвах нормируется в основном содержание пестицидов, инсектицидов, фунгицидов, гербицидов и др. Также нормируется содержание тяжелых металлов, галогенов (хлор, бром), микроэлементов.

Литература
Передельский Л.В., Коробкин В.И., Приходченко О.Е. Экология. – Изд. КноРус, 2009.
Бродский А.К. Краткий курс общей экологии. – М.: Деан, 2001.
Коробкин В.И. Экология. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2001.

1 Экологические стратегии выживания Регуляция плотности популяции Экологические стратегии выживания Говоря о животных