ekologiya_ump

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ТОЛЬЯТТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СЕРВИСА

С.В. САКСОНОВ, А.В. ИВАНОВА, О.В. САВЕНКО

ЭКОЛОГИЯ, БИОЛОГИЯ С ОСНОВАМИ ЭКОЛОГИИ

Учебно-методическое пособие для студентов всех специальностей

Тольятти 2006

ББК 28.080.1я73 УДК 577.4 С-15

Рецензенты:

доктор биологических наук, профессор Тольяттинского государственного университета сервиса

В.И. Попченко доктор биологических наук,

профессор Самарского государственного педагогического университета В.И. Матвеев

С 15 Саксонов, С.В.

Экология, биология с основами экологии: учебно-методическое пособие для студентов всех специальностей/ С.В. Саксонов, А.В. Иванова, О.В. Савенко – Тольятти: ТГУС, 2006 – 78 с.

Учебно-методическое пособие для студентов написано в соответствии Государственным образовательным стандартом по дисциплине «Экология» с учетом многолетнего положительного опыта преподавания данной дисциплины в Тольяттинской государственной академии сервиса и в дополнение к базовому конспекту лекций (Саксонов, Розенберг, 2005)

Вучебно-методическом пособии кратко отражены главные проблемы экологии,

втом числе экология популяций и сообществ, взаимоотношения человека с окружающей средой, современное состояние биосферы, значение охраны природы. Учеб- но-методическое пособие включает в себя планы семинарских занятий по 9 темам, 27 вопросов тренировочных тестов промежуточного контроля знаний, 100 вопросов 1-ой части контрольных работ студентов заочного отделения, 50 тем для рефератов студентов очного и 2-ей части контрольной работы студентов заочного и дистанционного обучения, методические рекомендации к семинарским занятиям и для выполнения реферата, 100 вопросов для подготовки к зачетам и экзаменам, а также перечень учебно-методических пособий и материалов по дисциплине.

Содержание пособия направлено на формирование экологических знаний и воспитание культуры взаимоотношений Человека с Природой. Настоящее пособие является системообразующим (путеводным) средством для всех форм обучения, позволяющим студентам выбирать индивидуальную образовательную траекторию в предлагаемой информационной среде по дисциплине «Экология».

ББК 28.080.1я73 УДК 577.4

2

Предисловие

Настоящее пособие составлено в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта для высшего профессионального образования

Целью данного учебного пособия является:

1)дать базовые представления о дисциплине;

2)научить ориентироваться в море учебной информации по дисциплине

3)придать пособию функции «организатора» познавательной деятельности, которую каждая личность осуществляет самостоятельно и самобытно.

Учитывая недостаточную экологическую грамотность населения во всех слоях общества, авторы уделяют значительное внимание основам общей экологии. Значительное место занимает прикладная экология: экозащитная техника, ресурсо- и энергосберегающие технологии; принципы и методы расчета ущербов и эффективности природоохранной деятельности, влияние окружающей среды на здоровье населения.

Публикация настоящего пособия оправдана тем, что ранее использовались, но не издавались планы семинарских занятий, которые претерпевали изменения как вследствие изменения стандарта (1994, 2000), рабочих программ, так и по причине устаревания некоторых составляющих, модификация дидактических единиц стандарта. Аналогично, не публиковались ранее и пробные тренировочные тесты по экологии, которые проходили апробацию среди студентов всех специальностей, показав их высокую валидность и надежность в обеспечении промежуточного, текущего контроля качества образования по дисциплине. В пособии также даны рекомендации по проведению семинарских занятий, разработан ряд тем к ним.

Настоящее учебно-методическое пособие является новым средством обучения, компактно, адаптировано к современным образовательным технологиям.

Данное учебное пособие предполагает использование студентами рекомендованной литературы, рабочего стола кафедры на сайте академии, другой литературы по дисциплине, а также консультаций и тестирования в системе «Прометей». Подробная версия тестов промежуточного контроля содержится в системе «Прометей», постоянно изменяется и дополняется.

3

Введение

В последнее время слово «экология» стало очень популярным; наиболее часто его употребляют, говоря о неблагополучном состоянии окружающей нас природы. Иногда этот термин употребляют в сочетании с такими словами, как общество, семья, культура, здоровье. Легкость, с которой сам термин «экология» и различные экологические понятия, теряя биологический смысл, вторгаются в разные отрасли знания, повидимому, отражает назревшую необходимость их "вторичной экологизации". Что же такое экология?

“...Экология – область биологической науки, изучающая живые системы в их взаимодействии со средой их обитания” Р. Уиттекер.

“...Под экологией понимается наука (или комплекс наук) о взаимодействии общества и природы...” Философский словарь.

“…экология – научное познание взаимодействий, определяющих распространение и численность организмов” Кребс.

Само понятие «экологии» потеряло всякую определенность по причине развития "энвайронментологии" (от англ. environmentology; или биосферологии). Уже не всегда можно определить идет ли речь о собственно экологии (т.е. биологической науке), загрязнении среды или охране природы, общественно-политическом движении или "духовном возрождении".

Чтобы как-то упорядочить терминологическую путаницу, возьмем за основу следующую схему (Розенберг, Мозговой, 1992):

Взаимодействие в системе “Общество - Природа”

(энвайронментология,

			Рациональное
	Экология		природополь-		Социальные
			зование		аспекты
	Биология		Биология +		Биология +
			экономика		экономика +
					социология
Таким образом, "...социоэкология – это интегральная					междисциплинарная нау-

ка, изучающая закономерности взаимодействия общества и природы в пределах социоэкосистем различного иерархического уровня и разрабатывающая научные принципы гармонизации этого взаимодействия посредством рационального природопользования" (Бачинский, 1991, с. 16). Тогда экология воспринимается как теоретическая (биологическая) основа взаимодействия в системе "организм(ы) – среда"; рациональное природопользование – как система эксплуатации природных ресурсов и условий в наиболее эффективном режиме, без резких изменений природно-ресурсного потенциала и сохранения здоровья людей; социальные аспекты проявляются в диапазоне от элементарной экологической безграмотности, как управляющего звена, так и населения в целом, до восприятия глобальных процессов.

4

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. ИСТОРИЯ ЭКОЛОГИИ

Известно, что люди, сами того не подозревая, занимаются экологическими наблюдениями. Элементы экологических знаний обнаруживаются даже в сочинениях многих ученых античного мира. Далее предлагается вариант периодизации экологии. Естественно, эта периодизация, как и любая другая, субъективна. Однако она представляется достаточно удобной, так как "привязана" к значимым для экологии датам и отражает смену парадигм в экологии.

Первый период – до 1866 г. (определение "экологии" и обоснование ее в качестве самостоятельной научной дисциплины). К этому периоду развития экологии относится деятельность таких ученых как, Эмпедокл, Гиппократ, Демокрит, Платон, Аристотель, Сенека, Леонардо да Винчи, Бэкон Ф., Лейбниц Г.В., Линней К., Ломоносов М.В., Лавуазье А.Л., Лепехин И.И., Дарвин Ч.Р., Северцов Н.А., Сеченов И.М., Геккель Э.

Это подготовительный период экологии, когда ее элементы появляются в трудах ботаников, зоологов и других естествоиспытателей. Характерная черта этого периода – отсутствие собственного понятийного аппарата. Этот период завершается определением "экологии", которое дал в 1866 г. немецкий ученый Эрнст Геккель. Несколько позже Э. Геккель конкретизировал это понятие (Haeckel, 1970, s. 365): “...Под экологией мы подразумеваем науку об экономии, о домашнем быте животных организмов. Она исследует общие отношения животных как к их неорганической, так и к органической среде, их дружественные и враждебные отношения к другим животным и растениям, с которыми они вступают в прямые и непрямые контакты, или, одним словом, все те запутанные взаимоотношения, которые Дарвин условно обозначил как борьбу за существование”.

Второй период – с 1866 по 1935 г. (определение "экосистемы"). Это период формирования факториальной экологии, вскрытие закономерностей отношения животных или растений к разнообразным абиотическим факторам. Наиболее выдающиеся научные деятели этого периода: Уоллес А., Спенсер Г., Докучаев В.В., Форель Ф.А., Иогансен В.Л., Раменский Л.Г., Морозов Г.Ф., Высоцкий Г.Н., Сукачев В.Н., Вавилов Н.И., Догель В.А., Вернадский В.И., Кашкаров Д.И., Николсон А.

Третий период – с 1936 г. до начала 70-х годов. (Вильямс В.Р., Вернадский В.И., Сукачев В.Н., Григорьев А.А., Хатчинсон Дж., Петровский В.В., Шварц С.С.). Это период синэкологических исследований, когда на передний план вышло изучение взаимоотношений популяций в экосистемах. Основой методологии становится системный подход (правда, в своем детерминированном варианте – развитие математической экологии, разнообразие аналитических и имитационных моделей экосистем). Именно в этот период произошло оформление экологии как фундаментальнотеоретической дисциплины.

Четвертый период – с начала 70-х годов до середины 80-х. (Одум Ю., Тимо-

феев-Ресовский Н.В., Яблоков А.В., Харпер Дж., Будыко М.И., Хатчинсон Дж., Федоров В.Д., Макинтош Р.). Этот период характеризуется: появлением трудностей в выявлении каких-то общих законов развития сообществ, постоянными нарушениями равновесных состояний, изучением экосистем в их развитии (включая и эволюционные факторы), возросшей ролью случайных факторов в объяснении структуры и динамики экосистем.

Наконец, пятый период – последние 15-20 лет, (Яблоков А.В., Быков Б.А., Чернова Н.М., Былова А.М., Миркин Б.М., Розенберг Г.С., Наумова Л.Г., Реймерс

5

Н.Ф.) начало становления истинно системного подхода к изучению экологических объектов. Наиболее удачным примером такого подхода может служить вышедшая в 1986 г. и переведенная у нас в 1989 г. книга М. Бигона с соавторами "Экология".

Современная экология.

Дело в том, что основные законы природы не потеряли своей силы с ростом населения, с огромным увеличением потребления энергии и невиданным ранее научнотехническим прогрессом, которые чрезвычайно расширили человеческие возможности воздействия на окружающую среду. Основным практическим результатом развития экологии явилось осознание необходимости перестраивать экономику в соответ-

ствии с экологическими законами. Современная экология не только изучает зако-

ны функционирования природных и антропогенных систем, но и ищет оптимальные формы взаимоотношения природы и человеческого общества.

Растет социальная роль экологических знаний. Отсюда следует: современная экология должна соприкасаться с такими дисциплинами, как право, экономика, социология, политология, философия.

Эта точка зрения стала доминантной в современном обществе, которое осознало опасность экологического кризиса, катастрофических преобразований. Предотвращение разрушения биосферы возможно только на основе знаний, которые помогают рационально эксплуатировать природные ресурсы, управлять естественными, аграрными, техногенными и социальными системами. Основная задача современ-

ной экологии – найти пути управления природными, антропогенными системами, человеческим обществом и биосферой в целом в соответствии с законами природы, а не вопреки им, найти гармонию между экономическими и экологическими интересами человека.

Экология – наука будущего и, возможно, существование жизни на планете будет зависеть от ее прогресса.

2. СРЕДА ОБИТАНИЯ ОРГАНИЗМОВ

Вся история становления экологии свидетельствует о важности и постоянном интересе исследователей к оценке воздействия среды на биоценотические компоненты экосистем. Среда обитания – среда жизни биоценоза, сравнительно однородная, пространственно ограниченная совокупность экологических факторов среды. Земной биотой освоены три основные среды обитания: водная, наземно-воздушная и почвенная вместе с горными породами приповерхностной части литосферы. Биологи еще часто выделяют четвертую среду жизни - сами живые организмы, заселенные паразитами и симбионтами. Приспособления организмов к среде носят название адаптации. Способность к адаптациям — одно из основных свойств жизни. Адаптации возникают и изменяются в ходе эволюции видов.

Водная среда жизни.

Основные свойства среды:

1)большая плотность

2)сильные перепады давления

3)относительно малое содержание кислорода

4)относительно небольшие перепады температуры

5)сильное поглощение солнечных лучей

Плотность воды - это фактор, определяющий условия передвижения водных организмов и давление на разных глубинах. Некоторые виды, распространенные на разных глубинах, переносят давление от нескольких до сотен атмосфер. Но многие

6

гидробионты приурочены к определенным глубинам. Плотность воды обеспечивает возможность опираться на нее (важно для бесскелетных форм). Взвешенные, парящие в воде организмы объединяют в особую экологическую группу – планктон.

Плотность и вязкость воды сильно влияют на возможность активного плавания. Животных, способных к быстрому плаванию и преодолению силы течений, объединяют в группу – нектон.

Нейстон (совокупность живых организмов, обитающих у поверхности воды на границе водной и воздушной сред) подразделяется на:

•эпинейстон - организмы, располагающиеся как бы сверху этой пленки сгущения жизни;

•гипонейстон - организмы, "прикрепленные" снизу к поверхности этой пленки, – водоросли, бактерии, многие рачки и мальки рыб, имеющие на спине что-то вроде присоски для присоединения к этой пленке.

Кислородный режим. В насыщенной кислородом воде содержание его не превышает 10мл в 1л, это в 21 раз ниже, чем в атмосфере. Поэтому условия дыхания гидробионтов значительно усложнены. Верхние слои воды богаче кислородом, чем нижние. С повышением температуры и солености воды концентрация в ней кислорода понижается.

Солевой режим. Если для наземных обитателей наиболее важно обеспечение организма водой в условиях ее дефицита, то для гидробионтов не менее существенно поддержание определенного количества воды в теле при ее избытке в окружающей среде. Для гидробионтов основной способ поддержания своего солевого баланса – избегание местообитаний с неподходящей соленостью. Соленость влияет на процесс

осморегуляции и водный баланс. Высокая соленость приводит к потере воды. Солевыносливые организмы вынуждены препятствовать поступлению ионов Na+. Ионы Cl- в небольших концентрациях нужны растениям и животным. Водные организмы можно разделить на пресноводные и морские по степени солености воды, в которой они обитают. Немногие растения и животные могут выдерживать большие колебания солености. Если в водной среде повышается концентрация растворенных веществ, животные отвечают на это одним из двух способов. У животных, не способных регулировать осмотическую концентрацию жидкостей тела она изменяется так же как в окружающей среде. У животных способных к осморегуляции она остается прежней при всех изменениях среды.

Осмос – это переход молекул растворителя из области с более высокой их концентрацией в область с более низкой концентрацией через полупроницаемую мембрану. Гидростатическое давление, которое необходимо приложить, чтобы предотвратить осмотическое поступление воды в раствор называют осмотическим давлением этого раствора. Чем выше концентрация раствора, чем выше его осмотическое давление.

Температурный режим. Более устойчив, чем на суше. Это связано с высокой теплоемкостью воды. Годовые колебания температуры в верхних слоях океана не более 10-15°С, в континентальных водоемах – 30-35°С, глубокие слои отличаются постоянством температуры.

Световой режим. Света в воде гораздо меньше, чем в атмосфере. Часть падающих на поверхность воды лучей отражается, поэтому день под водой короче, чем на суше. Солнечные лучи не достигают глубины, т.к. поглощаются водой. В то время как животные приспособились жить на огромных океанских глубинах, растения выживают только в верхнем слое воды, куда попадает свет — лучистая энергия, не-

7

обходимая для фотосинтеза. Этот слой называют фотической зоной. Так как поверхность воды отражает большую часть света, даже наиболее прозрачные океанские воды имеют фотическую зону, толщина которой не превышает 100 м. Большинство животных, обитающих ниже фотической зоны, питаются либо живыми организмами, либо останками животных и растений, постоянно опускающимися из верхнего слоя.

Некоторые специфические приспособления гидробионтов.

Сопротивление воды минимально, если отношение длины тела к наибольшему диаметру равно 4,5. Животные достигают таких соотношений различными способами:

1.Уменьшением объемов тела;

2.Развитием разнообразных выростов;

3.Увеличением содержания в теле воды, жиров, газообразных продуктов. Во всех случаях происходит уменьшение массы тела к его плотности.

Наземно-воздушная среда жизни.

Самая сложная по экологическим условиям. Жизнь на суше потребовала таких приспособлений, которые оказались возможными лишь при достаточно высоком уровне организации и растений, и животных. Наиболее важным фактором жизни пребывающих здесь организмов являются свойства и состав окружающих их воздушных масс. Наружный воздух у поверхности земли содержит по обьему:78,08% азота; 20,95% кислорода; 0,94% инертных газов и 0,03% углекислого газа. На высоте 5 км содержание кислорода остается тем же, а азота увеличивается до 78,89%. Часто воздух у поверхности земли имеет различные примеси, особенно в городах: там он содержит более 40 ингредиентов, чуждых природной воздушной среде

Световой режим. Всем живым организмам для осуществления процессов жизнедеятельности необходима энергия поступающая извне. Основным источником которой является солнечная радиация. Для солнечного излучения характерно наличие разных участков спектра: видимый, УФ, ИК. Среди УФЛ до поверхности Земли доходят только длинноволновые, а коротковолновые губительные для всего живого, практически полностью поглощаются озоновым экраном.

Видимый свет имеет разное экологическое значение. Зеленым растениям свет нужен для образования хлорофилла и формирования гранальной структуры хлоропластов, он регулирует работу устьичного аппарата, влияет на газообмен и транспирацию, активизирует ряд ферментов, стимулирует биосинтез белков и нуклеиновых кислот, влияет на деление клеток, ростовые процессы и развитие растений и т.д. Самое большое значение имеет свет в процессе фотосинтеза, с чем связаны основные адаптации у растений по отношению к свету.

Выделяют три группы растений: 1) светолюбивые; 2) тенелюбивые; 3) теневыносливые.

Свет для животных является необходимым условием видения, зрительной ориентации в пространстве. На больших глубинах в качестве источника зрительной информации организмы используют биолюминесценцию (свет, испускаемый живыми существами). Биолюминесценция имеет в жизни животных в основном сигнальное значение (ориентация в стае, привлечение особей другого пола, подманивание жертв, маскировка).

Температурный режим. Границы существования жизни – это температуры, при которых возможно нормальное строение и функционирование белков, в среднем от 0° до +50°С, однако ряд организмов обладает ферментными системами и приспособлен

8

к активному существованию при температуре тела, выходящей за эти пределы. Температурные границы намного раздвигаются, если учесть выносливость видов в латентном состоянии. Споры некоторых бактерий выдерживают нагревание до 180°С, ряд организмов после обезвоживания выносят температуры, близкие к абсолютному нулю.

От температуры окружающей среды зависит температура организмов и скорость всех химических реакций обмена веществ. Виды, предпочитающие холод – креофилы (до -8 .. -10 °С). Виды, предпочитающие высокие температуры – термофилы. Способы приспособления организмов, позволяющие регулировать обмен веществ при изменениях температуры: различные биохимические перестройки, поддержание температуры тела на более стабильном уровне чем температура окружающей среды. Организмы жизнедеятельность и активность, которых зависит от тепла поступающего из вне, а температура тела от внешних температур называются пойкилотермными. Высокоорганизованные животные способные поддерживать постоянную оптимальную температуру тела не зависимо о температуры среды - гомойотермные.

Основные пути адаптации к температурным изменениям среды у растений – это биохимические, физиологические и некоторые морфологические перестройки.

Во всем многообразии приспособления живых организмов к неблагоприятным температурным условиям можно выделить 3 основных пути: 1) активный – усиление сопротивляемости в развитии регуляторных процессов, позволяет осуществить все жизненные функции организма, не смотря на отклонение температуры от оптимума; 2) пассивный – подчинение жизненных функций организма ходу внешних температур; выражается в некотором снижении уровня обмена, замедлении темпов роста и развития, что позволяет экономнее тратить ресурсы; 3) избегание неблагоприятных температурных воздействий – выражается в выработке таких жизненных циклов, при которых наиболее уязвимые стадии развития завершаются в самые благоприятные периоды; для животных избегание неблагоприятных температур выражается в различных формах поведения.

Правило Аллена: в холодном климате животное имеет более короткие, выступающие части тела (уши, хвосты, ласты и т.д.).

Правило Бергмана: на севере животные имеют более крупные размеры. Биоклиматический закон Хопкинса: фенологические явления запаздывают на 4

дня при перемещении на 1градус широты, на 5градусов долготы (с запада на восток), на 100 метров вверх в горы.

Влажность. Дефицит влаги - существенная особенность наземно - воздушной среды. Адаптации: у растений – мощная корневая система, водонепроницаемые покровы, регулирование испарения через устьица; у животных – поведенческие, морфологические и физиологические. Для организма важно сохранить воду. От влажности зависит скорость потери воды. Чем выше относительная влажность воздуха – тем меньше воды теряет организм. Абсолютная влажность – масса водяного пара в 1 м3 воздуха (Р). Относительная влажность – отношение абсолютной влажности к максимальной при данной температуре (r).

r = P 100%

Ps

Водообеспечение наземных организмов зависит от режима выпадения осадков, наличия водоемов, запасов почвенной влаги, близости грунтовых вод и т.п. дефицит влажности приводит к возникновению адаптаций у живых организмов.

9

Уживотных выделяют три способа регуляции водного баланса: поведенческие, морфологические и физиологические.

Кповеденческим относятся поиски водопоев, выбор мест обитания, рытье нор и т.д.

Кморфологическим способам относятся разные образования, способствующие задержанию воды в теле: раковины, ороговевшие покровы рептилий и т.д. Физиологические приспособления – это способность к образованию метаболической влаги, экономии воды при выделении мочи и кала.

Урастений выделяют следующие приспособления: увеличение активности поверхности корневой системы, возникновение эфемерных корней, поглощение воды всей поверхностью тела, возникновение воздушных корней, уменьшение транспирации, видоизменение листьев, отсутствие центральной вакуоли, наличие воскового налета.

По способности переносить недостаток воды растения можно разделить на: - ксерофиты (растения с высокой выносливостью); - мезофиты (растения со средней выносливостью);

- гидрофиты (с низкой выносливостью, приспособленные к избытку воды). Выделяют три основных пути адаптации:1) активное противостояние; 2) пас-

сивное подчинение водному режиму; 3) избегание условий с недостатком влаги. Низкая плотность воздуха определяет его малую подъемную силу и опорность.

Обитатели наземно-воздушной среды обладают собственной опорной системой, поддерживающей тело.

Малая плотность воздуха обуславливает низкую сопротивляемость передвижению. Летают наземные животные за счет мускульных усилий, некоторые – за счет воздушных течений. В жизни наземных животных большую роль играют ветры, рельеф, погода и климат.

Газовый состав воздуха в приземном слое атмосферы довольно однороден (азот-78, кислород-21, аргон-0,9, углекислый газ- 0,03%). Большое содержание кислорода способствовало повышению обмена веществ у наземных организмов.

Кислород выделяют зеленые растения в результате фотосинтеза, а поглощают его все живые растения при дыхании. Также кислород используется при сжигании горючего в двигателях, в топках тепловых электростанций, это дополнительное расходование кислорода может нарушить равновесие его цикла. Пока биосфера справляется с вмешательством человека в цикл кислорода: его потери компенсируются зелеными растениями. При дальнейшем уменьшении площади лесов и сжигании все большего количества топлива содержание кислорода в атмосфере начнет уменьшаться.

Углекислый газ – важнейший ресурс для растений, необходимый для фотосинте-

за. Низкое содержание СО2 тормозит процесс фотосинтеза. В условиях закрытого грунта можно повысить скорость фотосинтеза, увеличив концентрацию углекислого

газа. Однако, излишнее количество СО2 приводит к травлению растений. Содержание углекислого газа может изменяться в отдельных участках приземного слоя воздуха в довольно значительных пределах. Закономерны суточные изменения содержания углекислоты в приземных слоях, связанные с ритмом фотосинтеза растений, и сезонные, обусловленные изменением интенсивности дыхания живых организмов. Повы-

шенное насыщение воздуха СО2 возникает в зонах центра города при отсутствии ветра, в зонах вулканической активности, возле термальных источников и других подземных выходах этого газа. В атмосфере постоянно происходит обмен диоксида угле-

10