Лекция №9 глобальные проблемы экологии, рациональное природопользование и охрана природы
Биосфера и учение в.И. Вернадского
Экология как наука. Экологические факторы
Экосистемы. Разнообразие и структура экосистем
Охрана природы и рациональное природопользование
Средой обитания живых организмов является биосфера. В 1875 г. австрийский геолог Э. Зюсс ввел понятие об оболочках земной коры: водную оболочку он назвал гидросферой, твердую – литосферой, а биосферой – область земной коры, охваченную жизнью. Еще раньше газовая оболочка Земли получила название атмосферы. Однако широкое распространение термин «биосфера» получил только полвека спустя, после того, как В.И. Вернадским была создана концепция действия биогеохимических процессов на земной поверхности и образования биосферы в качестве специфической оболочки Земли, физические, химические и энергетические параметры которой созданы современной и прошлой деятельностью живых организмов. Концепция биосферы определила и современную парадигму отношения человечества и природы: человек – порождение и элемент биосферы; разрушив ее, он подорвет и условия для собственной жизни.
Биосфера – та оболочка Земли, где распространена жизнь, существует «живое вещество», определяющее химический состав и энергетические процессы в атмосфере, гидросфере, верхнем слое литосферы и в почвенном покрове. Иначе говоря, биосфера – единая динамическая система на поверхности Земли, созданная и регулируемая жизнью.
Всеобщее признание биосферная концепция В.И. Вернадского, оформленная им в окончательном виде в книге «Биосфера» (1926), получила не только из-за того, что она научно обоснована и в ней раскрыты механизмы функционирования биосферы, но и потому, что она стала жизненно необходимой человечеству. Только на этой основе было понято, что в современную эпоху крупномасштабного преобразования окружающей среды человеком все ресурсы биосферы ограничены, исчерпаемы, а поэтому мировое сообщество несет ответственность за сохранение среды и обеспечение условий жизни для следующих поколений.
Биосфера, как специфическая земная оболочка, включает:
1) нижнюю часть воздушной оболочки (атмосферы), так называемую тропосферу, где активная жизнь может существовать до высоты 10—15км; перенос покоящихся зачатков происходит на высоте свыше 20 км, т.е. уже в стратосфере;
2) всю водную оболочку (гидросферу), в которой жизнь проникает до наибольших глубин Мирового океана, превышающих 11 км;
3) верхнюю часть твердой оболочки (литосферы) - кору выветривания, имеющую мощность обычно 30-60, иногда 100-200 м и более. Корой выветривания называют совокупность геологических отложений, образованных продуктами разложения (окисления, гидратации и гидролиза) и выщелачивания горных пород различного состава, оставшуюся на месте ее возникновения или перемещенную на небольшое расстояние, но не утратившую связь с материнской породой. За пределами коры выветривания жизнь может быть обнаружена лишь в отдельных случаях. Так, на глубине более 4500 м в нефтеносных водах найдены микроорганизмы. Если включить в биосферу и слои атмосферы, в которых возможен перенос покоящихся зачатков организмов, то ее пределы по вертикали составят 25-40 км, хотя установленные на ракетах специальные ловушки выявили наличие микроорганизмов на высотах до 85 км.
2. Экология как наука. Экологические факторы
Экология – это наука о жизни живых организмов в их собственном «жилище» – в окружающей среде, включающей все действующие на организмы факторы, как живые, так и неживые.
Факторы внешней среды подразделяются на абиотические (свет, температура, влажность, соленость, ветер, глубина снежного покрова и т.д.), биотические (влияния со стороны других живых организмов), антропогенные (влияние деятельности человека).
Абиотические факторы. Свет. Излучение солнца выполняет по отношении к живой природе четыре основные функции:
1. Солнце – источник энергии видимого света, используемого хлорофиллоносными организмами для синтеза органических веществ из неорганических (фотосинтеза).
2. Солнце является источником инфракрасного (теплового) излучения, от которого напрямую зависит активность жизни.
3. Солнечный свет выполняет функцию основного сигнального фактора, от количества и периодичности проявления которого зависит характер течения огромного количества процессов, как внутри организмов, так и среди надорганизменных группировок.
4. Солнце является причиной появления в процессе эволюции такой сложнейшей адаптации, как орган зрения. Видимый свет, освещая Землю, дает возможность органам зрения осуществлять свою основную функцию — восприятие зрительной информации. Разнообразие световых условий, при которых живут различные организмы очень велико. Растения по отношению к свету можно подразделить на светолюбивые, тенелюбивые и теневыносливые. Различные животные обладают дневной, ночной или сумеречной активностью.
Температура. Главным источником тепла является солнечное излучение. Кроме того, им могут являться геотермальные источники, играющие важную роль только в немногих местах обитания, например в горячих ключах, где обитают различные бактерии. Конкретный организм может выдерживать температуру только в определенных пределах, к которым приспособлены его метаболизм и структура. Температура, так же как и интенсивность света, в большей мере зависит от географической широты, сезона, времени суток и экспозиции склона. У организмов существует огромное количество приспособлений к перегреву и переохлаждению. По отношению к температуре окружающей среды животные подразделяются на две группы. Гомойотермные – птицы и млекопитающие (теплокровные). Они имеют эволюционно выработанные механизмы поддержания температуры тела на относительно постоянном уровне вне зависимости от температуры среды. Пойкилотермные – все остальные животные (холоднокровные), практически не имеющие таких механизмов.
Влажность. Вода необходима для жизни и может быть важным лимитирующим фактором в наземных экосистемах. Вода поступает из атмосферы в виде осадков: дождя, снега, града или росы. В природе происходит непрерывный круговорот воды, от которого зависит распределение ее на поверхности суши. По способности переносить недостаток воды растения можно разделить на ксерофиты (растения с высокой выносливостью), мезофиты (со средней выносливостью), гидрофиты (с низкой выносливостью, приспособленные к избытку воды) и гигрофиты (водные растения).
Биотические факторы. Биотические факторы среды можно выразить через способы взаимоотношения организмов разных видов между собой.
Нейтрализм – взаимонейтральные отношения (по типу 0:0) организмы не влияют друг на друга, т.к. имеют различающиеся экологические ниши. Например, взаимоотношения крота и зайца (рис. 19).
Хищничество — питание одних животных другими с предварительной их поимкой и умерщвлением (взаимоотношения «хищник – жертва»)
Конкуренция (у животных) – соперничество, любые антагонистические отношения между организмами, определяемые стремлением качественнее и быстрее достигнуть какой-либо цели. Термин «конкурентные взаимоотношения» является более общим и может не подразумевать каких-либо осмысленных желаний и стремлений (рис. 21).
Паразитизм — форма взаимоотношений между видами, при которых один вид является паразитом, а другой — хозяином. Паразит — организм, живущий за счет особей другого вида, более или менее с ним связанный в своем жизненном цикле (фаги — вирусы, являющимися паразитами бактерий; печеночный сосальщик имеет несколько хозяев, среди них – моллюск и травоядное млекопитающее)
Комменсализм – возможное постоянное или временное сожительство особей разных видов, при котором один из партнеров извлекает из другого одностороннюю пользу, не причиняя ему при этом вреда (многие членистоногие, использующие птиц и млекопитающих для расселения и перемещения)
Протокооперация – аналогичная комменсализму система взаимоотношений, при которой оба партнера извлекают друг из друга обоюдную пользу (крабы и гидроидные полипы, поселяющиеся на их панцире)
Мутуализм (симбиоз) — форма совместного существования организмов разных видов, при которой оба партнера (или один из них) не могут (не может) существовать без сожителя (лишайник — симбиоз грибов и водорослей или цианобактерии)
Аменсализм – межвидовые взаимоотношения, определяющие подавлением одного организма другим, как правило, за счет его продуктов жизнедеятельности. Термин обычно используется в биологии микроорганизмов
Антропогенные факторы – формы деятельности человеческого общества, приводящие к изменению природы как среды обитания других видов и среды обитания самого человека. В ходе истории человечества развитие сначала охоты, а затем сельского хозяйства, промышленности, транспорта сильно изменило природу. Значение антропогенного воздействия на весь живой мир земли продолжает стремительно возрастать. Человеческое общество влияет на природу в двух направлениях – на ресурсы, которые можно потреблять и, тем самым, снижать их доступность (полезные ископаемые), и условия, которые невозможно потреблять – ими можно только воспользоваться (температура, озоновый экран). Биологические ресурсы, за счет которых живет человеческое общество, можно разделить на три категории: жизнеобеспечивающие системы биосферы; биоресурсы, вовлеченные в непосредственно хозяйственную деятельность человека; ресурсы, необходимые для духовного и физического развития людей.
Закон оптимума. Для каждого вида организмов существуют оптимальные, пессимальные и запредельные значения действия любого фактора, в которых он, соответственно, чувствует себя наиболее комфортно, испытывает экологический дискомфорт или вообще не может существовать. Суть закона в том, что для большинства организмов наиболее комфортными являются средние значения фактора.
Ограничивающий фактор. Факторы среды, по своим значениям наиболее удаляющиеся от оптимума, особенно затрудняют возможности существования вида в данных условиях. Для каждого вида в разное время различные факторы, отклоняющиеся от оптимума, могут приобретать решающее значение. Такие факторы называют ограничивающими. Ограничивающие факторы среды во многом определяют ареал вида.
Экологическая ниша. Комплекс факторов, требующихся для существования вида, включая его связи с другими видами в сообществе, называют экологической нишей.
Именно в ответ на суммарное воздействие экологических факторов среды у организмов в процессе эволюции и вырабатывается весь комплекс морфологических адаптации и биохимических, физиологических и поведенческих адаптивных механизмов.