2. Основополагающие понятия экологии

Уровни организации живых организмов. Живые организмы, населяющие Землю, не разбросаны хаотично по ее поверхности, а организованы в определенные группы. Такие группы, начиная с отдельных индивидов, составляют уровни организации живого, или структурные уровни.

Главные уровни организации жизни, если их расположить в иерархическом порядке – от крупных систем к мелким – это сообщество, популяция, организм, орган, клетка и ген. Экология изучает уровни от организмов до экосистем.

Организмы – живые существа, которые обладают совокупностью свойств, отличающих их от неживой материи: клеточной организацией, обменом веществ, движением, раздражимостью, ростом и развитием, размножением, изменчивостью и наследственностью, а также приспособляемостью к условиям существования.

Особи любого вида не могут жить изолированно друг от друга. Они постоянно взаимодействуют между собой. Эти контакты осуществляются в популяциях. Под популяцией (от латинского populus – народ) в экологии понимают группу особей одного биологического вида, находящихся во взаимодействии между собой и совместно населяющих определенную территорию.

Сообщество в экологическом смысле включает все популяции, занимающие данную площадь. Сообщество – синоним биоценоза. Биоценоз представляет собой совокупность растений (фитоценоз), животных (зооценоз) и микроорганизмов (микробоценоз), населяющих относительно однородное жизненное пространство (биотоп). Сообщества организмов связаны теснейшими материально-энергетическими связями с неорганической средой. Растения могут существовать только за счет постоянного поступления в них углекислого газа, воды, кислорода, минеральных солей. Организмы, синтезирующие органические вещества из неорганических соединений с использованием энергии Солнца, называют автотрофами, а с использованием энергии, освобождающейся при химических реакциях, – хемотрофами. Организмы, питающиеся готовыми органическими веществами, называют гетеротрофами.

Системы взаимодействия живой (биоценоз) и неживой природы (биотоп) получили название экологических систем или биогеоценозов. Основные материально-энергетические составляющие экологических систем (экологические компоненты) — это энергия, вода, газовый состав (атмосфера), почвосубстрат, растения, животные и микроорганизмы. Главная особенность экосистемы в том, что в ней длительное время поддерживаются вполне устойчивые взаимодействия (обмен веществом, энергией и информацией) между элементами живой и неживой природы. Таким образом, в отличие от популяции или даже сообщества экосистему можно считать вполне самостоятельным объектом, так как в ней имеются все компоненты, необходимые для ее длительного существования. Экосистемами являются лес, озеро, тундра и т.д., но к ним следует отнести и каплю воды со всеми ее обитателями.

Экологические элементы и экологические факторы. Распространение живых организмов определяется в первую очередь средой, в которой они обитают. Среда - это комплекс природных тел и явлений, с которыми организм находится в прямых или косвенных взаимоотношениях. Элементы среды, воздействующие на живые организмы, называются экологическими факторами. Все экологические факторы условно делятся на три основные группы: абиотические, биотические и антропогенные (табл. 1).

Таблица 1. Экологические факторы среды

Факторы
Абиотические	Биотические	Антропогенные
Климатические: свет, температура, влага, ветер, давление Почвенно-грунтовые (эдафические): химические, физические и механические особенности почв и грунтов Орографические: рельеф, высота над уровнем моря, экспозиция склона Химические: газовый состав воздуха, солевой состав воды	Фитогенные: растительные организмы Зоогенные::животные организмы Микробиогенные: вирусы, бактерии, риккетсии	Хозяйственная деятельность человека: промышленность, сельское хозяйство, транспорт, промышленное и гражданское строительство, рекреация

Абиотические факторы – это все свойства неживой природы, прямо или косвенно влияющие на живые организмы (свет, температура, влажность воздуха, осадки, солевой состав воды, рельеф местности и т.д.).

Биотические факторы– это прямые и опосредованные формы воздействия живых существ друг на друга. Любой организм в реальных условиях постоянно испытывает на себе самое различное влияние различных существ.

Антропогенные факторы возникают в ходе непосредственного (прямого) или косвенного воздействия человека и его хозяйственной деятельности на живые организмы.

Степень влияния экологических факторов окружающей природы зависит от силы их действия. При оптимальной силе воздействия данный вид нормально живет, размножается и развивается (экологический оптимум, создающий наилучшие условия жизни). При значительных отклонениях от оптимума как в сторону повышения, так и в сторону понижения жизнедеятельность организма угнетается. Максимальное и минимальное значения фактора, при которых еще возможна жизнедеятельность, называются пределами выносливости. Жизненно важные факторы называются лимитирующими (при отсутствии их жизнь невозможна).

Сочетание условий среды, обеспечивающих усиленный рост, развитие и размножение каждого организма (популяции, вида), называют биологическим оптимумом. Создание условий биологического оптимума при выращивании сельскохозяйственных культур и животных позволяет значительно повысить их продуктивность.

Все организмы при взаимодействии со средой должны поддерживать известное динамическое равновесие, или гомеостаз. В процессе эволюции постоянно совершенствовалась адаптация организмов к условиям существования, а также приспособление совместно обитающих видов друг к другу. Антропогенное воздействие способно нейтрализовать гомеостатические возможности среды, нарушить ее естественное равновесие.

Трофические цепи и трофические уровни. В функционирующей природной экосистеме не существует отходов. Все организмы, живые или мертвые, потенциально являются пищей для других организмов. Таким образом, в биоценозе образуется цепь последовательной передачи вещества и эквивалентной ему энергии от одних организмов к другим или так называемая трофическая цепь (от греч. trophe – пища, питание). Отдельные звенья трофической цепи образуют трофические уровни – совокупности организмов, связанных потребляемой пищей.

Существует два типа пищевых цепей: одни начинаются живыми растениями, которыми питаются травоядные животные, другие начинаются неживыми и более или менее разложившимися веществами растительного и животного происхождения, потребляемыми детритоядными формами.

В случае если пищевая цепь начинается с живых растений, можно выделить следующие трофические уровни:

1. Продуценты (производители) – автотрофные организмы – в основном зеленые растения, которые, используя солнечную энергию, создают органическое вещество – первичную биологическую продукцию.

2. Консументы, или потребители – гетеротрофные организмы, питающиеся первичной биологической продукцией. Различают консументов первого порядка (растительноядные животные, или фитофаги), второго (плотоядные животные, питающиеся фитофагами), третьего (вторичные хищники) и т.д.

3. Конечное звено пищевой цепи образуют деструкторы – редуценты (восстановители) – организмы, разлагающие органические вещества. Это преимущественно микроорганизмы (бактерии, дрожжи, грибы-сапрофиты). Благодаря их деятельности происходит возврат в минеральное царство элементов, содержавшихся в органических веществах.

Биогеохимические циклы веществ. Все вещества на планете находятся в процессе круговорота. Солнечная энергия вызывает на Земле два круговорота веществ: большой (геологический) и малый (биологический).

Большой круговорот длится миллиарды лет. Горные породы подвергаются разрушению, выветриванию, а продукты выветривания, в том числе растворимые в воде питательные вещества, сносятся потоками воды в Мировой океан. Здесь они образуют морские напластования и лишь частично возвращаются на сушу с осадками, с извлеченными человеком из воды организмами. Крупные, но медленно протекающие геотектонические изменения (опускание материков и поднятие морского дна, перемещение морей и океанов) приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу, и процесс повторяется. Границы геологического круговорота значительно шире границ биосферы, его амплитуда захватывает слои земной коры далеко за пределами биосферы. И, самое главное, – в процессах указанного круговорота живые организмы играют второстепенную роль.

Малый круговорот веществ происходит на уровне биогеоценоза и заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, воздух аккумулируются в растениях, расходуются на построение тела и жизненные процессы как самих растений, так и организмов-консументов. Продукты распада органического вещества под воздействием бактерий вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям, и вовлекаются ими в поток вещества.

Круговорот того или иного химического вещества из неорганической среды через растительные и животные организмы и обратно в неорганическую среду с использованием энергии Солнца и химических реакций называется биогеохимическим циклом.

Биогеохимические круговороты в биосфере подразделяются на:

• круговороты газового типа с резервным фондом веществ в атмосфере или гидросфере (азота, кислорода, диоксида углерода, водяных паров);

• круговороты осадочного типа с менее обширными резервуарами в земной коре (фосфора, кальция, железа).

Около 40 химических элементов вовлекается живыми организмами в активный круговорот. Наибольшее значение имеет круговорот углерода, азота, кислорода, водорода, железа, фосфора, серы, калия, кальция, магния и кремния. Деятельность человека нарушает круговороты веществ, причем, в глобальном масштабе.