Тема 1

Предмет, задачи и методы экологии

Экология(греч. oikos — жилище, местопребывание, logos — наука)—биологическая наука о взаимоотношениях между живыми организмами и средой их обитания.Этот термин был предложен в 1866 г. немецким зоологом Эрнстом Геккелем. Становление экологии стало возможным после того, как были накоплены обширные сведения о многообразии живых организмов на Земле и особенностях их образа жизни в различных местообитаниях и возникло понимание, что строение, функционирование и развитие всех живых существ, их взаимоотношения со средой обитания подчинены определенным закономерностям, которые необходимо изучать.

Объектами экологииявляются преимущественно системы выше уровня организмов, т. е. изучение организации и функционирования надорганизменных систем: популяций, биоценозов (сообществ), биогеоценозов (экосистем) и биосферы в целом. Другими словами, главным объектом изучения в экологии являются экосистемы, т. е. единые природные комплексы, образованные живыми организмами и средой обитания.

Задачи экологиименяются в зависимости от изучаемого уровня организации живой материи.Популяционная экологияисследует закономерности динамики численности и структуры популяций, а также процессы взаимодействий (конкуренция, хищничество) между популяциями разных видов. В задачиэкологии сообществ (биоценологии)входит изучение закономерностей организации различных сообществ, или биоценозов, их структуры и функционирования (круговорот веществ и трансформация энергии в цепях питания).

Главная же теоретическая и практическая задача экологии — раскрыть общие закономерности организации жизни и на этой основе разработать принципы рационального использования природных ресурсов в условиях все возрастающего влияния человека на биосферу.

Взаимодействие человеческого общества и природы стало одной из важнейших проблем современности, поскольку положение, которое складывается в отношениях человека с природой, часто становится критическим: исчерпываются запасы пресной воды и полезных ископаемых (нефти, газа, цветных металлов и др.), ухудшается состояние почв, водного и воздушного бассейнов, происходит опустынивание огромных территорий, усложняется борьба с болезнями и вредителями сельскохозяйственных культур. Антропогенные изменения затронули практически все экосистемы планеты, газовый состав атмосферы, энергетический баланс Земли. Это означает, что деятельность человека вступила в противоречие с природой, в результате чего во многих районах мира нарушилось ее динамическое равновесие.

Для решения этих глобальных проблем и прежде всего проблемы интенсификации и рационального использования, сохранения и воспроизводства ресурсов биосферы экология объединяет в научном поиске усилия ботаников, зоологов и микробиологов, придает эволюционному учению, генетике, биохимии и биофизике их истинную универсальность.

В круг проблем экологии включены также вопросы экологического воспитания и просвещения, морально-этические, философские и даже правовые вопросы. Следовательно, экология становится наукой не только биологической, но и социальной.

Методы экологииподразделяются наполевые(изучение жизни организмов и их сообществ в естественных условиях, т. е. длительное наблюдение в природе с помощью различной аппаратуры) иэкспериментальные(эксперименты в стационарных лабораториях, где имеется возможность не только варьировать, но и строго контролировать влияние на живые организмы любых факторов по заданной программе). При этом экологи оперируют не только биологическими, но и современными физическими и химическими методами, используютмоделирование биологических явлений,т. е. воспроизведение в искусственных экосистемах различных процессов, происходящих в живой природе. Посредством моделирования можно изучить поведение любой системы с целью оценки возможных последствий применения различных стратегий и методов управления ресурсами, т. е. для экологического прогнозирования.

Для изучения и прогнозирования природных процессов широко используется также методматематического моделирования.Такие модели экосистем строятся на основе многочисленных сведений, накопленных в полевых и лабораторных условиях. При этом правильно построенные математические модели помогают увидеть то, что трудно или невозможно проверить в эксперименте. Однако сама по себе математическая модель не может служить абсолютным доказательством правильности той или иной гипотезы, но она служит одним из путей анализа реальности.

Сочетание полевых и экспериментальных методов исследования позволяет экологу выяснить все аспекты взаимоотношений между живыми организмами и многочисленными факторами окружающей среды, что позволит не только восстановить динамическое равновесие природы, но и управлять экосистемами.

Тема 2

Особи, входящие в популяцию, обладают общностью происхождения и многочисленными специфическими приспособлениями к совместной жизни. Эти приспособления были названы С.А. Северцевым (1951) конгруэнциями, охватывают морфофизиологические и этологические (поведенческие) черты. Внутривидовые отношения между членами популяции зависят, прежде всего, от того, одиночный или групповой образ жизни свойствен виду. Одиночный образ жизни – это когда особи популяции обособленны и независимы друг от друга. Характерным для многих видов, главным образом на определённых стадиях жизненного цикла. Полностью одиночное существование организмов в природе не встречается. Причиной этого является невозможность осуществления их основной жизненной функции – размножения. Семейный образ жизни, усиливает связи между родителями и их потомками. Дальнейшее усложнение поведенческих связей в популяциях приводит к формированию более крупных объединений животных – колоний, стадий, стад. Колонии– групповые поселения осёдлых животных, которые могут существовать длительное время или создаваться на период размножения. Стаи – временное объединение животных, которые проявляют биологически полезную организацию действий. Стада– более длительные и постоянные объединения животных по сравнению со стаями. Здесь осуществляются все основные функции жизни вида: добывание корма, защита от хищника, миграции, размножение, воспитание молодняка и т.д. Оптимизация физиологических процессов, ведущая к повышению жизнеспособности при совместном существовании, и получила название «эффект группы». Межвидовые взаимоотношениямогут быть безразличными (00), вредными (--) или полезными (++) для партнёров. Если две популяции не влияют друг на друга, то имеет место нейтрализм(0 0). Для одного из совместно обитающих видов влияние другого отрицательно (он испытывает угнетение), в то время как угнетающий не получает ни вреда, ни пользы - это амменсализм(-0). Когда один вид получает какое-либо преимущество, выгоду, не принося другому ни вреда, ни пользы, называетсякомменсализмом (+0). Связи комменсалов могут быть условно разделены на несколько вариантов: нахлебничество,сотрапезничество,квартиранство. В природе часто встречаются взаимовыгодные связи видов, при которых организм и популяции получают обоюдную пользу от этих отношений. Самый простой тип симбиотических связей – протокооперация(буквально: первичное сотрудничество) (++). При этой форме совместное существование выгодно для обоих видов, но не обязательно для них. Симбиотические отношения, при которых присутствие каждого из двух видов становится обязательным для другого партнёра, называется мутуализмом (++).Собственно симбиоз (++) – неразделимые взаимополезные связи двух видов, предполагающие обязательное тесное сожительство организмов, иногда даже с элементами паразитизма. Если в экологической системе два или более вида (популяции) со сходными экологическими требованиями обитают совместно, между ними возникают взаимоотношения отрицательного типа, которые называются конкуренцией (- -). Конкуренцию подразделяютна внутривидовую и межвидовую. Вместе с тем, если два вида с одинаковыми экологическими потребностями оказываются в одном сообществе, то обязательно один конкурент вытесняет другого. Это одно из общих экологических правил получившее название «закона конкурентного исключения», сформулированного Г.Ф. Гаузе. Хищничество(+ -) – такой тип взаимоотношений популяций, при котором представители одного вида поедают (уничтожают) представителей другого. Паразитизм(+ -) – это взаимосвязь между видами, при которой организмы одного вида (паразита, потребителя) живут за счёт питательных веществ или тканей организма другого вида (хозяина в течении определенного времени). Гомеостаз (от греч. – похожий, и неподвижность, стояние) – способность организма или системы организмов поддерживать динамически устойчивое равновесие в изменяющихся условиях среды. Первую попытку выделить механизмы гомеостаза в живой природе сделал К. Линней (1760). Обобщённую концепцию гомеостаза и термин предложил У. Кеннон (1929).

Тема3 По характеру воздействия[ Прямо действующие — непосредственно влияющие на организм, главным образом наобмен веществ

• Косвенно действующие — влияющие опосредованно, через изменение прямо действующих факторов (рельеф, экспозиция,высота над уровнем моря и др.)

По происхождению

• Абиотические — факторы неживой природы:

  • климатические: годовая сумма температур, среднегодовая температура, влажность, давление воздуха

  • эдафические (эдафогенные): механический состав почвы, воздухопроницаемость почвы, кислотность почвы, химический состав почвы

  • орографические: рельеф, высота над уровнем моря, крутизна и экспозиция склона

  • химические: газовый состав воздуха, солевой состав воды, концентрация, кислотность

  • физические: шум, магнитные поля, теплопроводность и теплоёмкость, радиоактивность, интенсивность солнечного излучения

• Биотические — связанные с деятельностью живых организмов:

  • фитогенные — влияние растений

  • микогенные — влияние грибов

  • зоогенные — влияние животных

  • микробиогенные — влияние микроорганизмов

• Антропогенные (антропические):

  • физические: использование атомной энергии, перемещение в поездах и самолётах, влияние шума и вибрации

  • химические: использование минеральных удобрений и ядохимикатов, загрязнение оболочек Земли отходами промышленности и транспорта

  • биологические: продукты питания; организмы, для которых человек может быть средой обитания или источником питания

  • социальные — связанные с отношениями людей и жизнью в обществе

По расходованию

• Ресурсы — элементы среды, которые организм потребляет, уменьшая их запас в среде Условия — не расходуемые организмом элементы среды (температура, движение воздуха, кислотность почвы)

По направленности

• Векторизованные — направленно изменяющиеся факторы: заболачивание, засоление почвы

• Многолетние-циклические — с чередованием многолетних периодов усиления и ослабления фактора, например изменение климата в связи с 11-летним солнечным циклом

• Осцилляторные (импульсные, флуктуационные) — колебания в обе стороны от некоего среднего значения (суточные колебания температуры воздуха, изменение среднемесячной суммы осадков в течение года)

Свет.

Практически единственным источником энергии для всех живых организмов является энергия солнца. Напрямую утилизировать солнечную энергию может только одна группа организмов - зеленые растения (об этом разговор пойдет в последующих уроках) и фотосинтезирующие организмы. Речь, разумеется, об уникальном явлении - фотосинтезе. Все остальные организмы, по сути, поглощают энергию солнца, преобразованную зелеными растениями в энергию химических связей.

Тепло.

Температура, в отличие от света, является исключительно витальным (энергетическим) фактором. У растений и животных (особенно холоднокровных животных) повышение температуры тела вызывает ускорение всех биохимических и физиологических процессов. Так, при повышении температуры сокращается время, необходимое для прохождение отдельных стадий развития. Наример, для развития гусениц бабочки-капустницы от яйца до куколки при температуре 10 С требуется 100 суток, а при 26 С - только 10 суток.

Глоссарий

Адаптация

комплекс морфофизиологических и поведенческих особенностей особи, популяции или вида, обеспечивающий успех в конкуренци с другими видами (популяциями, особями) и устойчивость к воздействию экологических факторов.

ФОТОСИНТЕЗ

превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами (т.н. бактериальный Ф.) энергии Солнца в энергию химических связей органических соединений.

ТАКСИС

направленное перемещение организмов, отдельных клеток и даже их органелл под влиянием односторонне действующего фактора (например, ориентация хлоропластов в зависимости от направления освещения - фототаксис).

МУТАЦИЯ

изменение наследственных свойств организма

КАНЦЕРОГЕН

вещество или физический агент, приводящий к возникновению злокачественных (раковых) новообразований.

СУММА АКТИВНЫХ ТЕМПЕРАТУР

сумма температур (превышающих порог развития), необходимых для завершения жизненного цикла.

ПОРОГ РАЗВИТИЯ

температура (или значение другого фактора), ниже которой развитие данного вида не происходит.

ЦИКЛ РАЗВИТИЯ, ЦИКЛ ЖИЗНЕННЫЙ

совокупность всех фаз индвидуального роста и развития особи, в результате которого она достигает характерных величин, приобретает характерные признаки.

ФЕРОМОН(ы)

биологически активные вещества, вырабатываемые животными; оказывают влияние на поведение, а иногда рост и развитие особоей того же вида. К Ф. относят вещества, привлекающие особей другого пола (аттрактанты), вещества тревоги и т.д. Ф. - разновидность химической сигнализации (коммуникации) между организмами.