ЭКОЛОГИЯ. СРЕДА ОБИТАНИЯ
Слово «экология» впервые употребил немецкий зоолог Эрнст Геккель в 1866 г., обозначив им биологическую науку, изучающую взаимоотношения организмов с окружающей их средой. Греческое слово «ойкос» означает жилище, местопребывание, убежище.
Сначала этот термин применялся тогда, когда речь шла об изучении взаимосвязей между растительными и животными сообществами и окружающей средой. Сейчас экология стала для всего человечества не только наукой, но и способом мышления, поведения, реальностью действий. Любое изменение в среде обитания входит в компетенцию экологии. Современная экология изучает также взаимодействия человека и биосферы, общественного производства с окружающей его природной средой и другие проблемы. Она обогащает свое содержание и расширяет свои задачи.
Экология является составной частью биологии. Американский эколог Юджин Одум дал наиболее короткое и наименее специальное определение экологии – биология окружающей среды.
В зависимости от решаемых задач экологию подразделяют на:
общую, которая занимается исследованием всех типов экосистем,
частную, которая изучает конкретные группы определенного таксономического ранга – экологию человека, экологию лягушки, и т.д.
Фундаментальные идеи биоэкологии лежат в основе всех новых отраслей экологии, которые выделяются в зависимости от:
размеров объекта изучения – ландшафтная и глобальная Э.;
предметов изучения – Э. микроорганизмов, суши, пресных водоемов, морская, высокогорная, химическая;
временного аспекта – историческая и эволюционная;
видов природопользования – промышленная, сельскохозяйственная, энергетики, транспорта и т.д.
При функционировании промышленных предприятий инженерно-техническим работникам приходится иметь дело не с экологией, а с охраной окружающей среды.
Рассматривая экологию как науку о взаимосвязях и взаимозависимостях всех живых организмов с окружающей средой, необходимо рассмотреть понятие среды, в которой взаимодействуют живые организмы.
Среда обитания – это та часть природы, которая окружает живой организм и с которой он непосредственно взаимодействует. Составные части и свойства среды многообразны, изменчивы, и любое живое существо постоянно приспосабливается к ним, регулируя свою жизнедеятельность в соответствии с изменениями среды обитания.
Еще Геккельотмечал, что все условия существования, как органические, так и неорганические, имеют большое значение для форм организмов, так как принуждают приспосабливаться к себе. Приспособление организмов к среде называетсяадаптацией. Способность к ней является одним из главных свойств живого, поскольку обеспечивает вероятность выживания и продолжительность жизни. Адаптация возможна как на уровне клетки, отдельных органов, систем и организма в целом, так и на уровне сообществ и экологических систем. Каждый вид адаптирован к строго определенной для него совокупности условий существования – экологической нише.
Окружающая человека среда обитания представляет собой систему, состоящую из трех подсистем: природной физической среды, искусственной физической среды и социально-экономической среды.
Природная физическая среда состоит из природных физических компонентов и явлений:
1. Географическое положение (местоположение заселенной человеком территории - высокие или тропические широты, континент или на остров, остров крупный или небольшой, побережье или в глубине). Этими особенностями будут определяться затраты труда на жилье и производство продовольствия, транспорт, коммуникации, строительство, производство одежды и т.п.
2. Климат. Климат местности - многолетний режим погоды; средние значения метеорологических явлений, а также их годовой и суточный ход, отклонения от него и их повторяемость. Зональное разнообразие климатов осложняется действием мусонных ветров, распределением циклонов и антициклонов, влиянием горных массивов на движение воздушных масс, степенью удаления от океана и многими другими местными факторами. В горах – климатическая зональность, во многом аналогичная смене зон от низких широт к высоким. Все это создает чрезвычайное разнообразие условий жизни на суше. Изменение климатических условий местности (режима температуры, влажности, света, движения воздуха), местными элементами среды (рельеф, экспозиция, растительность и т.д.) формирует локальные модификации климата, или микроклимат.
Климат (особенно радиационный и тепловой режим и режим атмосферных осадков и их сезонное проявление) оказывает самое существенное влияние на человека и его производственную деятельность, особенно связанную с сельским хозяйством. С климатическими условиями существенно связаны расходы на одежду, строительство коммуникаций, транспорт, условия, эффективность и производительность труда человека. Например, в случае муссонного климата наблюдается повышение обмена веществ, температуры тела, потребления кислорода, артериального давления и кроветворения.
3. Рельеф.Низменности, холмистые равнины, выровненные горные плато способствуют развития сельскохозяйственного производства, в горных районах возможности земледелия будут ограничены, как и возможность строительства.
Высота местности оказывает и непосредственное воздействие на организм человека. У коренных жителей высокогорья наблюдается высокогорная патология, например, тромбозы и отягощенные течения заболеваний легких. В различных горных системах на сходных высотах наблюдаются различные проявления горной болезни. Так, если на Кавказе у приезжих по мере увеличения высоты возрастает частота сердечных сокращений, то на Тянь-Шане она снижается, в Гималаях и Андах при высоте над уровнем моря более 4000 м она остается стабильной, а в горах Антарктиды необычайно увеличивается.
4. Минеральные ресурсыоказывают существенное влияние на развитие человеческого общества в связи с их неравномерным распределением на земной поверхности, что особенно начинает сказываться по мере развития производства. Большое значение имеет объем запасов минеральных ресурсов на той или иной территории, которые, как правило, являются ограниченными.
5. Энергетические ресурсытак же неравномерно распределяются по земной поверхности. Основным источником получения энергии было и пока остается ископаемое топливо - уголь, нефть, природный газ, торф. В истории человечества энергетика в ее современном понимании появилась сравнительно недавно, лишь с изобретением первого парового двигателя. Тысячелетия до этого человек использовал непосредственно энергию солнца (прямой нагрев, обжиг), ветра (парус, мельница), текучих вод (мельница) растительности (топливо) и лишь немного угля (металлургия). Энерговооруженность человеческого труда в настоящее время играет все большую роль, поскольку современное производство в первую очередь связано с энергетикой и зависит от него.
6. Водные ресурсынепосредственно определяют жизнь человека и социально-экономическое развитие тех или иных районов. В своей жизни человек как организм зависит от наличия достаточного количества пресной воды. Пресная вода необходима для производства, как сельскохозяйственной продукции, так и промышленной. В тоже время запасы пресной воды распространены на поверхности Земли очень неравномерно. В настоящее время добавился новый фактор - существенное загрязнение водных ресурсов, делающее их непригодным для непосредственного употребления.
7. Природные процессы и явленияна земной поверхности очень разнообразны и в различных точках планеты проявляются по-разному.
- геологические процессы(вулканизм, землетрясения, тектонические сдвиги, оползни, сели, лавины, карст, цунами и т.д.) влияние которых на человека и его деятельность может быть катастрофическим, разрушительным, частично разрушительным или слабым, оно может быть локальным, но может охватывать и огромные территории.
- атмосферные явления. Разрушительные - грозы, ливни, град, ураганы, засухи;благоприятные– дифференциация климатов, солнечная радиация, термические процессы, циркуляция влаги, режим атмосферных осадков.
- гидросферные процессы и явления.Катастрофические– наводнения, исчезновение подземных вод, резкий подъем грунтовых вод, размывание речных берегов и морских побережий и т.д.);полезные– формирование подземных пресных вод и гидрографической сети.
- биосферные процессы - охватывают создание, преобразование, разрушение и аккумуляцию органического вещества на земной поверхности, взаимоотношения между различными группами организмов, взаимодействия между организмами и средой их обитания.
Созданные человеком физические компоненты окружающей среды
Эти компоненты включают в себя огромное количество материальных тел, процессов и явлений, имеющих искусственное происхождение.
Машины и орудия. Многие из них имитируют природные тела (лошадь - автомобиль), однако при этом они существенно отличаются по характеру взаимодействия с человеком и окружающей средой.
Синтетические материалы и продукты, имеющие иные свойства по сравнению с природными веществами. Однако нередко их влияние оказывается не таким, каким оно предусматривалось изначально, просто в виду ограниченности человеческих знаний.
Человеческое жилье и производственные помещения.
Разнообразная одежда, которую человек использует для регулирования температуры своего тела.
Организуемые человеком коммуникации- транспорт, связь и т.п., создающие новый по сравнению с природным аспект жизнедеятельности человека.
Производственные условия (микроклимат) - параметры радиации, состав воздуха, температуры, давления, электрического и магнитного полей.
Социально-экономические компоненты окружающей среды
Социально-экономическия подсистема окружающей среды – это созданный человечеством духовный мир, который охватывает национальные, социальные, экономические, политические и другие общественные отношения и духовно-культурные ценности, которые влияют на людей, в частности, обуславливают поведение в сфере взаимоотношений с окружающей средой.
Человек не только биологический организм, но и член общества, т.е. явление социальное. Таким образом, он существует не только в физической, но и в социальной среде, т.е. находится в постоянном обмене материальными телами, энергией и информацией с др. членами человеческого общества.
Определяющим фактором социально-экономической среды является, конечно же, способ производства и производственных отношений. Экономические факторы определяют наличие или отсутствие физических возможностей удовлетворения растущих потребностей человека. В различных общественно-экономических формациях эти факторы действуют различно, как в качественном, так и в количественном отношениях.
По данным статистических ежегодников ООН различия в социально-экономической среде проявляются между разными странами мира буквально во всех отношениях. Совокупный национальный продукт развивающихся стран Африки, Азии и Латинской Америки в 10-80 раз меньше, чем в развитых капиталистических странах.
Развитые страны потребляют значительно больше энергии и продуктов. Например, житель США потребляет в среднем сахара 47 кг в год, житель Австралии - 57, житель Бангладеш - 1,5, Бирмы - 2,5 кг. В США, в среднем, ежегодно потребляется на каждого человека 604 кг стали, в Японии -534, в Бирме - 2, а в Бангладеш - 1 кг.
Но особенно большие контрасты существуют в здравоохранении. В развитых странах один врач обслуживает 350-800 человек в год, т.е. по 1-2 человеку в день. Тогда как в Индонезии один врач приходится на 18863 человека, в Бурундии -45000, а в Нигерии -5500 человек, а, следовательно, в этих странах разнится и продолжительность жизни, если в развитых странах это 75-80 лет, то в развивающихся странах Африки и Азии - 40 лет, а в Габоне, например, всего 25 лет.
Бедность понятие историческое. Оно имеет смысл только при противопоставлении богатству. Согласно определению экспертов ООН бедность это:
Голод, недоедание, отсутствие экологически сбалансированного обмена веществ.
Отсутствие возможности поддерживать нормальный температурный режим путем соответствующей одежды и жилья.
Отсутствие условий санитарии, гигиены и адекватного здравоохранения.
Изнурительный труд с постоянным перенапряжением организма.
Постоянная психологическая депрессия, в крайних случаях приводящая к самоубийствам.
Крайнее выражение бедности - нищета. При которой человек не в состоянии удовлетворить свои даже самые насущные потребности в жилье, пище, одежде, не говоря уже о здравоохранении, информации, социальном развитии.
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ
Отдельные свойства или части среды, воздействующие на живой организм, называются экологическими факторами. Они могут быть необходимы, или, наоборот, вредны для живых существ, способствуют или препятствуют их выживанию и размножению.
1 – Абиотические факторы - температура, свет, влажность воздуха, ветер, солевой состав воды, давление атмосферного воздуха, рельеф местности и др. Это все свойства неживой природы, которые прямо или косвенно влияют на живой организм.
2 – биогенные (биотические)– прямое или косвенное воздействие живых существ друг на друга, это связь растений друг с другом, животных и растений, микроорганизмов с растениями и животным миром, человека с растениями и животными.
3 – антропогенные факторы – это все формы деятельности человеческого общества, которые приводят к изменению природы как среды обитания других видов или непосредственно сказываются на их жизни.
Один и тот же фактор имеет различное значение в жизни совместно обитающих организмов разных видов: сильный ветер – для обитающих открыто крупных животных и для мелких, укрывающихся под снегом или в норах.
Свойства среды могут быть постоянными (сила тяготения, солевой состав океана) или изменчивыми (температура, влажность и т.д.).
Экологические факторы могут выступать как:
Раздражители– вызывать физиологические или биохимические приспособления.Для жителей Северахарактерен нормальный или сниженный уровень артериального давления, увеличение поверхности тела и его обезжиренной массы, увеличение размеров грудной клетки, повышение минеральной насыщенности скелета, содержания белка и холестерина, меньшая частота простудных заболеваний и проявлений ревматизма.Для жителей жаркого сухого климата– снижение основного обмена и понижение функции щитовидной железы; повышенный рост при малом весе тела, резкое удлинение пропорций тела, узкий нос, сильная пигментация кожи.
Ограничители, обуславливающие невозможность существования в данных условиях – т.е. устранять некоторые виды с территории.
Модификаторы, вызывающие анатомические и морфологические изменения организмов. Например, зайцы из разных географических условий различаются характером окраски, размерами, строением пищеварительной системы. Длина слепой кишки у зайцев полуострова Ямал в 2 раза больше, чем у представителей из лесостепного Урала. Это связано с характером питания, разной долей грубых кормов в составе рациона.
Сигналы,свидетельствующие об изменениях других факторов среды.
Закон оптимума
Для жизни и процветания каждого организма требуется набор определенных факторов – абиотических и биотических. Проявляться эти факторы могут как недостаточно, так и в избытке, что может неблагоприятно сказываться на жизнедеятельности особей. Благоприятная сила воздействия называется зоной оптимума экологического фактора. Чем сильнее отклонения от оптимума, тем больше угнетает данный фактор жизнедеятельность организма (зона пессимума). Максимально и минимально переносимые значения фактора – это критические точки, за пределами которых существование уже невозможно, наступает смерть.
Критические точки ограничивают степень выносливости, называемую также экологической валентностью живых существ по отношению к конкретному фактору среды.
Как положение оптимума, так и экологическая валентность разных видов могут быть различными. Например, у холодолюбивых организмов зона температурного оптимума смещена в сторону низких температур, у теплолюбивых видов – в сторону высоких.
Широкую экологическую валентность по отношению к абиотическим факторам среды обозначают добавлением к названию фактора приставки «эври». Эвритермные виды – выносящие значительные колебания температуры, эврибатные – широкий диапазон давления, эвригалинные – разную степень засоления среды.
Неспособность переносить значительные колебания фактора, или узкая экологическая валентность, характеризуется приставкой «стено».
Виды, для существования которых необходимы строго определенные экологические условия, называют стенобионтными, а те, которые способны приспосабливаться к разной экологической обстановке, - эврибионтными.
Закон минимума
В середине прошлого века немецкий физиолог Либих показал, что растения можно выращивать на синтетических средах и чтодля обеспечения нормального роста необходимо известное число химических элементов.Одни из них должны находиться в среде в очень больших количествах, другие в малых, а третьи вообще в виде следов. Одни элементы не могут быть заменены другими, среда, содержащая все элементы в изобилии, кроме одного, обеспечивает рост растения лишь до того момента, пока количество последнего не будет исчерпано. Рост ограничивается, таким образом, нехваткой единственного элемента, количество которого было ниже необходимого минимума. Данное условие было названозаконом минимума.
Для жизни и процветания организмов необходимо наличие определенной совокупности условий. Если все условия оказываются благоприятными, за исключением одного, проявленного недостаточно, то в этом случае это последнее условие, называемое лимитирующим фактором, приобретает решающее значение для жизни или смерти рассматриваемого организма, а, следовательно, его присутствия или отсутствия в данной среде.
Устойчивость организма определяется слабейшим звеном в цепи его экологических потребностей. Если количество и качество экологических факторов близки к необходимому организму минимуму, он выживает, если меньше этого минимума, организм гибнет, экосистема разрушается.
Абиотические факторы:
1. Свет. Видимый свет, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение различаются по биологическому действию. Среди ультрафиолетовых лучей до поверхности Земли доходят только длинноволновые, а коротковолновые, губительные для всего живого, практически полностью поглощаются на высоте около 20-25 км озоновым экраном – тонким слоем атмосферы, содержащим молекулы озона. Большие дозы ультрафиолетовых лучей вредны для организмов, а небольшие необходимы многим видам: они оказывают мощное бактерицидное действие и у животных вызывают образование из стеролов антирахитичного витамина Д. Инфракрасные лучи оказывают тепловое действие.
Видимый свет имеет разное экологическое значение:
для растений (образование хлорофилла, определяет сроки цветения и плодоношения, ростовые процессы),
для животных. Разные виды животных нуждаются в свете определенного спектрального состава, интенсивности и длительности освещения. Отклонения от нормы подавляют их жизнедеятельность и приводят к гибели.
Главная экологическая роль света – осуществление биологических ритмов разной продолжительности – суточных, лунных, сезонных.
По требованию к условиям освещения растения принято делить на следующие экологические группы: светолюбивые или гелиофиты, тенелюбивые или сциофиты (растения нижних ярусов тенистых лесов, пещер и глубоководные растения); теневыносливые, или факультативные гелиофиты (переносят затенение, легче других перестраиваются под влиянием изменяющихся условий освещения).
Элементы светового режима – интенсивность прямого и рассеянного света, годовая суммарная радиация, спектральный состав света, альбедо – очень переменчивы и зависят от географического положения, высоты над уровнем моря, от рельефа, состояния атмосферы, характера земной поверхности, от времени суток, сезона года, солнечной активности и глобальных изменений в атмосфере. У растений возникают различные адаптации к световому режиму местообитаний:
морфологические: с солнечной стороны гуще листья; на севере, где высота стояния солнца меньше, встречается больше растений с вертикальным расположением листьев, а на юге – с горизонтальным;
физиологические (питание днем, дыхание ночью).
2. Температура
От температуры ОС зависит температура организмов и, следовательно, скорость всех химических реакций, составляющих обмен веществ. Большинство биохимических реакций в организмах осуществляется при участии ферментов – специализированных белковых катализаторов. Поэтому границы существования жизни – это температуры, при которых возможно нормальное строение и функционирование белков, в среднем от 0 до 500С. Однако целый ряд организмов обладает специализированными ферментными системами и приспособлен к активному существованию при температуре тела, выходящей за эти пределы. Споры некоторых бактерий выдерживают нагревание до 1800С. Семена, пыльца и споры растений, нематоды, коловратки, цисты простейших и ряд других организмов переносят температуры до –2700С, возвращаясь затем к активной жизни. Приостановка всех жизненных процессов организма носит название анабиоза.
В ходе эволюции у живых организмов выработались разнообразные приспособления, позволяющие регулировать обмен веществ при изменениях температуры ОС:
различными биохимическими перестройками,
поддержанием температуры тела на более стабильном уровне, чем температура ОС.
Источником теплообразования в клетках организмов является тепло, выделяемое благодаря биохимическим процессам окисления и расщепления. Представители большинства видов не обладают достаточно высоким уровнем обмена веществ и не имеют приспособлений, позволяющих удерживать образующееся тепло. Их жизнедеятельность и активность зависят прежде всего от тепла, поступающего извне, а температура тела – от хода внешних температур. Такие организмы называют пойкилотермными (микроорганизмы, растения, беспозвоночные животные и др.).
У ряда групп высокоорганизованных животных на основе выработки собственного тепла развилась способность поддерживать постоянную оптимальную температуру тела, независимо от температуры среды. Таких животных называют гомойотермными (птицы и млекопитающие).
Частный случай гомойотермии – гетеротермия – свойственен животным, впадающим в неблагоприятный период года в спячку или оцепенение. В активном состоянии они поддерживают высокую температуру тела, а в неактивном – пониженную, что сопровождается замедлением обмена веществ. Таковы суслики, ежи, летучие мыши, сони, стрижи, колибри.
Для каждого вида можно установить:
нижнюю летальную Тили Т гибели от холода,
верхнюю летальную Тили Т гибели от перегрева,
Т оцепененияот холода и от жары,
оптимальную предпочитаемую Т– Т, которую ищет животное - илитепловой префередум (ТП).
ТП изменяется в зависимости от физиологического состояния животного и внешних факторов среды. Тепловой префередум часто определяет особенности распространения животных в биотопах и их перемещения. Организмы могут избегать неблагоприятного температурного режима путем выбора соответствующего микроклимата: совершать миграции на значительные расстояния. Низкие Т могут влиять на плотность популяции – в северных границах ареалов распространения животного вид может стать более редким. Для животных, жизнедеятельность и активность которых зависит от внешнего тепла, низкие Т уменьшают количество поколений в году (поколений плодовой мухи в Гонолулу 11-12, в Алжире – 5, в Париже – 2).
Адаптации растений к крайним высоким Т:
усиление транспирации тепла через устьица растений, что спасает от перегрева. Например, разница между температурой растения и воздуха у кактуса перуанских Анд составляет 24 градуса;
отражение и рассеивание падающих на растение лучей благодаря глянцевитой поверхности листьев или густому опушению из светлых волосков;
размещение листьев ребром к полуденным лучам солнца;
Адаптации к низким Т:
при низких Т – приземистость, подушковидная форма роста, прижатость листьев побегов к субстрату;
Адаптации животных к низким Т:
крупные размеры животных холодных широт – чем крупнее животное, тем меньше потери тепла;
уменьшение поверхности ушей, хвоста, а шея и лапы становятся короче и вся форма животного более приземистой;
для пойкилотермных животных:биохимические адаптации в неактивном состоянии; способы регуляции Т – перемена позы, активный поиск благоприятных микроклиматических условий, смена мест обитания, и т.д.;
для гомойотермных– дрожание, жировые запасы, усиленное питание, густой мех, перьевой и особенно пуховой покров птиц;
Адаптации животных к высоким Т:
испарение воды путем потоотделения или через влажные слизистые оболочки полости рта и верхних дыхательных путей;
увеличение поверхности тела за счет ушей, складок кожи и т.д.;
уменьшение силы нагрева путем соответствующей позы (саранча располагает днем тело параллельно солнечным лучам),
многие обитатели пустыни ведут ночной образ жизни.