Экология. Лекции

Тема № 1. Экология как наука. Экологические факторы окружающей среды

Вопросы:

1.Экология как наука, ее содержание. Предмет исследования и основные задачи экологии.

2.История развития экологии как науки. Место экологии среди других наук.

3.Экология и экономика.

4.Среда обитания и условия существования.

5.Понятие и определение экологического фактора. Классификация экологических факторов.

6.Общие закономерности действия экологических факторов. Лимитирующие факторы.

7.Закон толерантности как основа экологического нормирования. Экологическая пластичность вида.

8.Влияние абиотических факторов на распространение биологических видов и видовое разнообразие.

Цель: формирование общих теоретических представлений о науке экологии, ее объекте и предмете исследования.

1. Экология как наука, ее содержание. Предмет исследования и основные задачи экологии

Термин «экология» образован от двух греческих слов oikos – дом, жилище и logos – наука, знание и означает «наука о местообитании».

В качестве самостоятельной науки экология сформировалась к началу 20 века, в развитие и становление которой внесли Тимирязев К.А., Докучаев В.В., Вернадский В.И., Вавилов Н.И., Сукачев В.Н., Шварц С.С., Морозов Г.Ф., Яблоков А.В., Реймерс Н.Ф. и другие.

Как учебный предмет экология делится на четыре основных раздела:

1)аутэкология, или факториальная экология (учение об экологических факторах);

2)экология популяций, или демэкология;

3)экология сообществ и экосистем, или биогеоценология;

4)основы учения о биосфере, или экология биосферы.

Задачи экологии:

1)оптимизация технологических, и конструкторских решений, исходя из минимального ущерба окружающей среде;

2)прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий действующих и проектируемых предприятий на окружа-

1

ющую среду;

3)своевременное выявление и корректировка технологических процессов, наносящих ущерб окружающей среде;

4)создание систем переработки отходов промышленности.

2. История развития экологии как науки. Место экологии среди других наук

Первый этап развития науки (Древний мир) – накопление фактического материала и первый опыт его систематизации. В Средние века интерес к изучению природы ослабевает, заменяясь господством схоластики и богословием. Географические открытия в эпоху Возрождения, колонизация новых стран явились толчком к развитию биологических наук. Накопление и описание фактического материала – характерная черта естествознания этого периода.

Второй этап развития науки связан с крупномасштабными бо- танико-географическими исследованиями в природе. Появление в начале XIX в. биогеографии способствовало дальнейшему развитию экологического мышления. Подлинным основоположником экологии растений принято считать А. Гумбольдта (1769 – 1859), опубликовавшего в 1807 г. работу «Идеи о географии растений», где на основе своих многолетних наблюдений в Центральной и Южной Америке он показал значение климатических условий, особенно температурного фактора, для распределения растений.

Победа эволюционного учения в биологии открыла, таким образом, третий этап в истории экологии, для которого характерно дальнейшее увеличение числа и глубины работ по экологическим проблемам. В этот период завершилось отделение экологии от других наук. Термин «экология» для новой области знаний впервые был предложен немецким зоологом Э. Геккелем в 1866 г.

В 1910 г. на III Ботаническом конгрессе в Брюсселе экология растений разделилась на экологию особей и экологию сообществ. По предложению швейцарского ботаника К. Шретера экология особей была названа аутэкологией (от греч. autos – сам и «экология»), а экология сообществ – синэкологией (от греческой приставки synобозначающей «вместе»). Такое деление вскоре было принято и в зооэкологии.

На четвертом этапе развития истории экологии после разносторонних исследований к 30-м гг. XX в. определились основные теоретические представления в области биоценологии: о границах и структуре биоценозов, степени устойчивости, возможности саморегуляции этих систем. Углублялись исследования типов взаимосвязей организмов, лежащих в основе существования биоценозов. Проблему взаимодействия живых организмов с неживой природой подробно разработал В.И. Вернадский в 1926 г., подготовив условия

2

для понятия единого целого биологических организмов с физической средой их обитания.

3. Экология и экономика

Процесс экономического развития в настоящее время характеризуется постоянно возрастающим уровнем потребления природных ресурсов, что влечет за собой ухудшение состояния окружающей среды. Особенно существенное негативное влияние на природную среду оказывает промышленность.

С интенсивным развитием научно-технического процесса и ростом объемов производства проблемы взаимодействия природы и общества приобретают глобальный характер.

В процессе развития общества постоянно существует проблема несоответствия соотношения между возрастающими потребностями людей и фактическим наличием ресурсов. Огромный ущерб окружающей среде наносится в результате нерационального природопользования, что приводит к загрязнению и истощению природных ресурсов. Текущее состояние природной среды в России можно назвать критическим. Об этом свидетельствует уровень смертности в стране в целом, который гораздо выше рождаемости, и уровень заболеваемости, постоянно растущий в связи с ухудшением качества природных ресурсов. Состояние окружающей среды оказывает влияние не только на здоровье людей, но и на развитие экономики.

Взаимоотношения общества и природы на современном этапе складываются таким образом, что растущее потребление природных ресурсов постепенно ведет к их истощению и одновременно к увеличению поступления отходов производства и жизнедеятельности человека в окружающую среду. В то же время ухудшение экологической обстановки ведет к повышению расходов и проведение природовосстановительных мероприятий.

Основной задачей сегодняшнего дня является оптимизация взаимодействия общества и природы на основе повышения эффективности использования природных ресурсов в хозяйственной деятельности человека.

4. Среда обитания и условия существования

Среда обитания – элементы среды, с которыми данный организм вступает в прямые или непрямые отношения, т.е. это все то, среди чего он живет.

Условия жизни, или условия существования, – это совокупность необходимых для организма элементов среды, с которыми он находится в неразрывном единстве и без которых существовать не может.

3

5. Понятие и определение экологического фактора. Классификация экологических факторов

Экологический фактор – это любое условие среды, способное оказывать прямое или косвенное влияние на живой организм хотя бы на протяжении одной из фаз его индивидуального развития. Экологические факторы делят на:

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

2)биотические факторы – это прямые и опосредованные формы воздействия живых существ друг на друга;

3)антропические факторы – факторы, которые возникают в ходе непосредственного воздействия человека на что-то.

6. Общие закономерности действия экологических факторов. Лимитирующие факторы

При небольших значениях или при чрезмерном воздействии фактора жизненная активность организма заметно угнетается, поэтому необходимо оптимальное действие фактора. Диапазон действия, или зона толерантности (выносливости) экологического фактора ограничен соответствующими крайними пороговыми значениями (точки минимума и максимума) данного фактора, при которых возможно существование организма (рисунок 1). Точка на оси абсцисс, которая соответствует наилучшему показателю жизнедеятельности организма, означает оптимальную величину фактора – это точка оптимума. Так как определить оптимальное значение фактора с высокой точностью бывает трудно, говорят о диапазоне значений последнего – о зоне оптимума, или зоне комфорта. Таким образом, три точки (оптимума, минимума и максимума) составляют три кардинальные точки, которые определяют возможные реакции организма на данный фактор. Крайние участки кривой, выражающие состояние угнетения при недостатке или избытке фактора, называют зонами пессимума. Рядом с критическими точками лежат сублетальные величины фактора, а за пределами зоны толерантности – летальные значения фактора, при которых наступает гибель организма.

Условия среды, в которых какой-либо фактор (или совокупность факторов) выходит за пределы зоны комфорта и оказывает угнетающее действие, в экологии часто называют экстремальными.

Рассмотренные выше закономерности воздействия экологических факторов на живые организмы и характер ответных реакций

4

последних известны как «правило оптимума».

Факторы, уровень которых приближается к пределам выносливости организма или превышает их, называют лимитирующими.

7. Закон толерантности как основа экологического нормирования. Экологическая пластичность вида

Закон минимума, сформулированного немецким химиком Ю. Либихом (1840 г.): выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей. Закон толерантности (В. Шелфорд 1913 г.): лимитирующим фактором процветания организма (вида) может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, диапазон между которыми определяет величину выносливости (толерантности) организма к данному фактору.

Экологическая пластичность – свойство видов адаптироваться

ктому или иному диапазону факторов

8.Влияние абиотических факторов на распространение биологических видов и видовое разнообразие

Абиотические факторы наземной среды: лучистая энергия солнца, освещение, температура, влажность атмосферного воздуха, атмосферные осадки, газовый состав атмосферы, движение воздушных масс (ветер), давление атмосферы.

Абиотические факторы почвенного покрова:

а) физические свойства (механический состав, плотность, теплоемкость, теплопроводность, влагоемкость, влагопроницаемость, аэрация); б) химические свойства (химический состав, кислотность, содержа-

ние вредных веществ (пестициды, тяжелые металлы и т.д.). Абиотические факторы водной среды.

а) физические свойства (плотность, температура, световой режим, подвижность, прозрачность);

б) химические свойства (соленость воды, количество растворенного О2 и СО2, кислая, нейтральная, щелочная среда).

Список рекомендуемой литературы

1.Николайкин Н. И. Экология : учебник для вузов / Н. И. Николайкин, Н. Е. Николайкина, О. П. Мелихова. − 4-е изд. испр. и

доп. М. : Дрофа, 2005. − 622 с.

2.Степановских А. С. Экология : учебник для вузов / А. С. Степановских. − Москва, ЮНИТИ, 2003. − 703 с.

5

3.Экология : учебное пособие для вузов / под ред. В. В. Денисова – изд. 3-е, испр. и доп. − М. : МАРТ, 2006. – 768 с.

4.Экология и безопасность жизнедеятельности / под ред. Л. А. Муравья. − М. : ЮНИТИ-ДАНА, 2002. – 447 с.

6

Тема № 2. Экологические системы. Потоки вещества и энергии

Вопросы:

1.Вещество биосферы.

2.Уровни организации живой материи.

3.Функции живого вещества в биосфере.

4.Биологический вид и популяция.

5.Основные характеристики популяций.

6.Биоценоз. Важнейшие особенности биоценозов. Структура биоценоза. Отношения организмов в биоценозе.

7.Понятие экологической системы. Структура экосистем и их классификация.

8.Принципы функционирования экосистем.

9.Типы питания.

10.Динамические процессы в экологических системах. Гомеостаз биогеоценозов.

11.Сукцессия.

Цель: формирование представлений об основных понятиях науки Экологии: вид, популяция, экосистема.

1. Вещество биосферы

Всю совокупность организмов на планете В.И. Вернадский назвал живым веществом, рассматривая в качестве его основных характеристик суммарную массу, химический состав и энергию. В состав биосферы, кроме живого вещества (растительного, животного и микроорганизмов), входят биогенное вещество (продукты жизнедеятельности живых организмов – каменный уголь, битумы, нефть), биокосное вещество (продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами – почвы, кора выветривания, все природные воды, свойства которых зависят от деятельности на Земле живого вещества) и, наконец, косное вещество – совокупность тех веществ в биосфере, в образовании которых, как считается, живые организмы не участвуют (горные пород магматического, неорганического происхождения, вода, космическая пыль, метеориты).

2. Уровни организации живой материи

Окружающий нас мир живых организмов биосферы представляет собой сочетание различных биологических систем разной структурной упорядоченности и разного организационного положе-

7

ния. В связи с этим выделяют разные уровни существования живого вещества – от крупных молекул до растений и животных различных организаций: молекулярный, клеточный, тканевый, органный, организменный, популяционно-видовой, биоценоз и биогеоценоз (экосистема), биосферный.

3. Функции живого вещества в биосфере

Различают пять основных функций живого вещества в масштабах планеты Земля: энергетическая, газовая, концентрационная, окислительно-восстановительная, деструкционная.

4. Биологический вид и популяция

Вид – совокупность особей, способных к скрещиванию и образованию плодовитого потомства, населяющих определенный ареал (область географического распространения), обладающих рядом общих морфо-физиологических признаков и типов взаимоотношений с абиотической и биотической средой, отделенных от других таких же групп особей практически полным отсутствием гибридных (гибрид – потомство, не способное к дальнейшему размножению, например, мул – результат скрещивания лошади с ослом).

По определению академика С.С. Шварца, популяция – это элементарная группировка организмов определенного вида, обладающая всеми необходимыми условиями для поддержания своей численности необозримо длительное время в постоянно изменяющихся условиях среды.

5. Основные характеристики популяций

Статические показатели:

Численность – общее количество особей на выделяемой территории или в данном объеме. Этот показатель популяции никогда не бывает постоянным, он зависит от соотношения интенсивности размножения (плодовитости) и смертности.

Плотность популяции – среднее число особей (или биомассы) на единицу площади или площади или объема занимаемого популяцией пространства. Плотность популяции также изменчива, она зависит от численности. В случае возрастания последней плотность популяции не увеличивается лишь в том случае, если возможно расселение ее, т.е. расширение ареала.

Динамические показатели популяции включают рождаемость, смертность, прирост и темп роста популяции.

Рождаемость (плодовитость) – число новых особей, появившихся за единицу времени в результате размножения.

8

Смертность популяции – число погибших в популяции особей в определенный отрезок времени.

Прирост популяции – разница между рождаемостью и смертностью; прирост может быть положительным, нулевым и отрицательным.

Темп роста популяции – средний прирост за ее единицу вре-

мени.

6. Биоценоз. Важнейшие особенности биоценозов. Структура биоценоза. Отношения организмов в биоценозе

Биоценоз ( от греч. bios – жизнь, koinos – общий) – организованная группа взаимосвязанных популяций растений, животных, грибов и микроорганизмов, живущих в практически одних и тех же условиях.

Компоненты биоценоза: фитоценоз – растительность, зооценоз – животный мир, микробоценоз – микроорганизмы.

Важнейшими особенностями систем, относящихся к надорганизменному уровню организации жизни, по В. Тишлеру (1971), являются следующие.

1.Сообщества всегда возникают, складываются из готовых частей (представителей различных видов или целых комплексов видов), имеющихся в окружающей среде.

2.Части сообщества заменяемы.

3.Сообщества существуют главным образом за счет уравновешивания противоположно направленных сил.

4.Сообщества основаны на количественной регуляции численности одних видов другими.

5.Предельные размеры организма ограничены его внутренней, наследственной программой.

Сообщества часто имеют расплывчатые границы, иногда неуловимо переходя одно в другое.

Согласно классификации В.Н. Беклемишева (1951 г.), прямые

икосвенные межвидовые отношения подразделяются на четыре типа:

1.трофические связи возникают в том случае, когда один вид питается другим;

2.топические связи отражают любое (физическое или химическое) изменение условий обитания одного вида вследствие жизнедеятельности другого;

3.форические связи проявляются в том, что один вид участвует в распространении другого;

фабрические связи относятся к такому типу биоценотических отношений, в которые вступает вид, использующий для своих сооружений (фабрикаций) продукты выделения, либо мертвые остат-

9

ки, либо даже живых особей другого вида.

7. Понятие экологической системы. Структура экосистем и их классификация

Экосистема – это совокупность организмов и неорганических компонентов окружающей их среды, в которой может осуществляться круговорот веществ. Термин предложен в 1935 году английским экологом А. Тенсли.

С биологической точки зрения, в составе экосистемы выделяют следующие компоненты:

1.неорганические вещества (C, N, CO2, H2O и др.);

2.органические соединения (белки, углеводы, липиды, гумусовые вещества и т.д.), связывающие биотическую и абиотическую части;

3.воздушную, водную и субстратную среду, включающую климатический режим и другие физические факторы;

4.продуцентов;

5.консументов;

6.редуцентов.

8. Принципы функционирования экосистем

Первый (основной) принцип функционирования экосистем: получение ресурсов и избавление от отходов происходят в рамках круговорота всех элементов.

Второй основной принцип функционирования экосистем: они существуют за счет не загрязняющей среду и практически вечной солнечной энергии, количество которой относительно постоянно и избыточно.

Третий основной принцип функционирования экосистем: чем больше биомасса популяции, тем ниже должен быть занимаемый ею трофический уровень, или иначе: на конце длинных пищевых цепей не может быть большой биомассы.

9. Типы питания

Питанием называется процесс потребления энергии и веще-

ства.

Автотрофами (от греч. autos – сам, trof – кормиться, питаться) называют организмы, берущие нужные им для жизни химические элементы из окружающей их костной материи и не требующие для построения своего тела готовых органических соединений другого организма. Основной источник энергии, используемый автотрофами, – Солнце.

10