Тема 1. Определение, предмет, задачи и структурные подразделения современной экологии. Основные экологические понятия и термины

Слово «экология» происходит от греческих слов «oikos», что означает дом, жилище, и «logos» – наука. Таким образом, экология – это наука, изучающая наше природную среду, все организмы, которые его населяют, и функциональные процессы, делающих этот “дом” пригодным для жизни. В буквальном смысле экология – это наука об организмах в среде их обитания. Особое внимание она уделяет совокупности и характеру связей между человеком и окружающей его средой.

Экология приобрела практический интерес еще на заре развития человечества. Подобно другим отраслям знаний, экология развивалась непрерывно, но неравномерно. Данные экологического характера помещаются в трудах ряда древнеримских и древнегреческих философов (Гиппократа, Аристотеля и т.д.), но впервые термин «экология» был введен в 1866 году немецким ученым, биологом-дарвинистом Эрнстом Геккелем. Так Геккель назвал науку, изучающую организацию и функционирование надорганизованных биологических систем разных уровней: видов, популяций, биоценозов (сообществ), экосистем (биогеоценозов) и биосферы.

История развития науки экология:

Первый этап

О зависимости растений от внешних условий хорошо знали и первые земледельцы за много веков до новой эры (10-15 тыс. лет назад). Севооборот сельскохозяйственных культур применяли в Египте, Китае и Индии 5 тысячелетий назад. Сложная и экологически выверенная система земледелия была у индейцев майя в древней Америке. Элементы экологии отражены в эпических произведениях и легендах: в древнеиндийском эпосе «Махабхарта» (VI-II ст. до н. е.; сведения о привычках и образе жизни 50 животных), в рукописных книгах Китая и Вавилона (сроки посева и сбора диких и культурных растений, способы обработки земли, виды птиц и зверей).

Второй этап

Теофраст (370-285 до н.э.) описал 500 видов растений. Самыми главными работами разностороннего ученого (его труды: «О камнях», «Об огне», «О вкусах», «Об усталости», «О приметах погоды», «Характеры», «Учебник риторики» и др.) и философа стали «Исследования о ботанике» в 9 книгах: 1 - о частях и морфологии растений, 2 - уход за садовыми деревьями, 3 - описание лесных деревьев, 4 - описание заморских растений и их болезней, 5 - о лесе и его пользе, 6 - о кустарниках и цветах, 7 - об огородных растениях и уходе за ними, 8 - о злаках, бобовых и о полеводстве, 9 - о лекарственных травах. Теофраст сделал ботанику самостоятельной наукой, отделив ее от зоологии. Поэтому его и называют отцом ботаники.

Древнегреческие философы во многом отождествляли растения и животных, считали, что растения могут радоваться и огорчаться, органы животных отождествляли с органами растений: корни - рот и голова, стебли - ноги и живот, и т. д. Мечтали вырастить в колбе живое существо (гомункулус). Но Теофраст был не только отцом ботаники. Большое внимание в своих работах он уделял влияния внешней среды на живые организмы, и именно он впервые разделил покрытосеменные растения жизненные формы: деревья, кустарники, полукустарники и травы, с учетом зависимости от почвы и климата.

Плиний старший (23-79 годы н.э.) в своей многотомной «Философии природы» многие явления природы рассматривал с действительно экологических позиций. Древние ученые задумывались о том, о чем задумываемся и мы с вами.

В средневековье в Европе произошел отход человеческой мысли далеко назад, церковь на несколько веков стала тормозом развития всех естественных наук. Связь строения организмов со средой вполне приписывалось воле бога. Научные сведения содержатся в единичных работах (многотомный произведение Венсана де Бове (XIII век) «Зеркало вещей», «Поучение Владимира Мономаха» (XI), «О назидании и сходстве вещей» доминиканского монаха Иоанна Сиенского (XIV)) и имеют прикладной характер; заключаются в описании целебных трав, культивируемых растений и животных. Но уже в позднем средневековье стали появились новые веяния в науке - зачатки экологии. Альберт Великий (Альберт фон Больштедт, ~ 1193-1280 гг.) в трудах о растениях придает большое значение условиям роста, в частности световому фактору - «солнечному теплу», рассматривает причины «зимнего сна».

Третий этап

В первой половине XVIII века Карл Линней создал таксономическую систему животных и растений, которой ботаники пользуются и поныне. Заслуги этого ученого перед миром настолько велики, что на их перечисление не хватит и целой лекции. Его считают реформатором ботаники. Кроме бинарной номенклатуры он разработал терминологию, введя в систематику более 1000 терминов для различных органов растений и их частей.

Уже первые систематики: А. Цезальпин (1509-1603), Д. Рэй (1623-1705), Же. Турнефор (1656-1708), отмечали зависимость растений от условий среды и мест произрастания. Жорж Леклерк Буффон (1707-1788) в «Естественной истории» (не проводя опытов!) писал о влиянии климата на животные организмы, Жан Батист Ламарк (1744-1829) открыл эволюцию жизни. Ламарк был последователем К. Линнея и составил классификацию животных («Философия зоологии»), что отражает происхождение – эволюцию животных, выбрав в качестве признаков внутреннее строение (отделил беспозвоночных от позвоночных) и строение нервной системы (бездушные – инфузории и полипы, которые чувствуют – все другие беспозвоночные, и умные – позвоночные).

Известный английский химик Г. Бойль (1627-1691) поставил первый экологический эксперимент по влиянию низкого атмосферного давления на развитие животных, а Ф. Реди экспериментально доказал, что самозарождение сложных животных невозможно. Антони ван Левенгук, который изобрел микроскоп, был первым в изучении трофических цепей и регуляции численности организмов.

М. В. Ломоносов рассматривал влияние среды на организм. Он в работе «О слоях земных» (1763) писал, что «...напрасно многие думают, что все, что мы видим, изначально создано творцом...». По остаткам вымерших животных (моллюсков и насекомых) Ломоносов реконструировал условия их существования в прошлом и опроверг теорию катастроф Ж. Кювье. Таким образом, к концу XVIII ст., по мере все большего накопления экологических знаний, у натуралистов начал складываться особый подход к изучению явлений природы, который учитывает зависимость изменения организмов от окружающих условий. Но экологических идей как таковых еще нет.

Четвертый этап

Период: конец XVIII – начало XIX века. Этот этап связан с большими ботанико-географическими исследованиями, способствовали дальнейшему развитию экологического мышления. В начале XIX ст. выделяются в самостоятельные отрасли – экология растений и экология животных. Ученые этого времени анализировали закономерности организмов и среды, взаимоотношения между организмами, привыкаемость и приспособляемость. Огромную роль в развитии экологических идей сыграл немецкий ученый О. Гумбольдт (1769-1859), заложивший основы биогеографии. В книге «Идеи географии растений» (1807) он ввел ряд научных понятий, которые используются экологами и сегодня (экобиоморфа растений, ассоциация видов, формация растительности и др.).

Появились работы, в которых авторы понимают место существования, как совокупность действующих экологических факторов.

В 1832 г. О. Декандоль обосновал необходимость выделения новой отрасли наук «Эпирреалогии». Он писал: "...Растения не выбирают условия среды, они их выдерживают или умирают. Каждый вид, живущий в определенной местности, при определенных условиях представляет как бы физиологический опыт, демонстрирует нам способ воздействия теплоты, света, влажности и настолько разнообразные модификации этих факторов ...".

Пятый этап

Важнейшей вехой в развитии экологических представлений о природе стал выход в свет знаменитой книги Ч. Дарвина (1809-1882) о происхождении видов путем естественного отбора, жесткой конкуренции.

Это великое открытие в биологии стало мощным толчком для развития экологических идей. У Дарвина было много последователей. Один из них – немецкий зоолог Эрнст Геккель (1834-1919). «Я докажу!» - девиз Э. Геккеля. В 8 лет он прочитал Робинзона Крузо, долго бредил дикарями, приключениями. Пробивной, который мечтал и добился мировой славы, он добился открытия филогенетического факультета в Йенском университете, много лет успешно изучал радиолярий, прекрасно рисовал, но мог делать выводы, не подкрепленные фактами и поэтому ошибочны. Геккелем было придумано много различных терминов для классификации отраслей наук; много лет он искал одноклеточный организм, который дал начало всему живому; искал общий закон, который бы объяснил все явления. Вскоре после выхода в свет учения Ч. Дарвина – в 1866 г. он предложил термин для новой науки - «экология», который впоследствии получил всеобщее признание.

Именно 1866 год следует считать годом рождения экологии. В конце XIX ст. она представляла собой науку об адаптации организмов к климатическим условиям, но лишь через 100 лет превратилась в целое мировоззрение – общую экологию. В 1895 г. датский ученый Э. Варминг (1841-1924) ввел термин «экология» в ботанику для обозначения самостоятельной научной дисциплины – экологии растений.

Таким образом, общим для периода наивной экологии, продолжавшийся с начала развития цивилизации до 1866 г., является накопление и описание колоссального фактического материала и отсутствие системного подхода в его анализе.

Шестой этап

В 1877 г. немецкий гидробиолог К. Мебиус (1825-1908) на основе изучения устричных банок в Северном море разработал учение о биоценозах, как группировки организмов, которые через среду обитания теснейшим образом связаны друг с другом. Именно его труд «Устрицы и устричное хозяйство» положил начало биоценологическим – экосистемным, исследованиям, которые в дальнейшем обогатились методами учета количественных соотношений организмов. Исключительно велики заслуги В. В. Докучаева (1846-1903), он создал учение о природных зонах и учение о почве, как особом биокосном теле (системе).

Особенно широко исследования надорганизменного уровня стали развиваться с начала XX века. Повсеместно стали создаваться различные научные общества и школы: ботаников, фитоценологов, гидробиологов, зоологов и т. д., выпускаться журналы.

1916 г. - Ф. Клементс показал адаптивность биоценозов и адаптивный смысл этого;

1925 г. - А. Тінеманн ввел понятие «продукция»;

1927 г. - Ч. Элтон выделил своеобразие биоценотических процессов, ввел понятие экологическая ниша, сформулировал правило экологических пирамид.

До 30-х годов XX века были созданы различные системы классификации растительности на основе морфологических, эколого-морфологических и динамических характеристик фитоценозов.

Седьмой этап

Седьмой этап отражает новый подход к исследованиям природных систем - в его основу положено изучение процессов материально-энергетического обмена, формирование общей экологии, как самостоятельной науки. Г. Ф. Гаузе начале 40-х годов прошлого века провозгласил принцип конкурентного исключения, указав на важность трофических связей, как основного пути для потоков энергии через природные системы. Вслед за Гаузе, в 1935 г. английский ботаник А. Дж. Тенсли ввел понятие экосистемы, и этот год принято считать годом рождения общей экологии как науки, объектом которой являются не только отдельные виды и популяции видов, но и экосистемы, в которых биоценозы рассматриваются с биотопами, как единое целое.

В общей экологии с этого времени четко выделились два направления - аутэкология и синэкология. В фитоценологии всеобщее признание получила парадигма дискретности растительного покрова, что объясняется стремлением к классификационных работ.

Почти одновременно с А. Тенсли, В.М. Сукачев в 1942 г., наследуя Г.Ф. Морозова, разработал систему понятий о лесном биогеоценозе, как естественной системе, однородной по всем параметрам (растительным покровом, миром животных и микроорганизмов, по поверхностной горной породе, гидрологическими, почвенными, микроклиматическими условиями, по типу взаимодействий, обменом веществом и энергией между его компонентами и между ними и другими явлениями природы).

Восьмой этап

«Экологизация» науки; становление экологических наук, которые учитывают деятельность человека, то есть социальной и политической направленности. Рост интереса к изучению популяций (демэкология), динамики формирования биогеоценозов в связи с антропогенными нарушениями. Большое внимание уделяется стационарным исследованиям. Основная методология - системный анализ. Одно из главных направлений - длительный экологический мониторинг различных уровней (наземный, региональный, глобальный и др.). Период: с 80-х годов XX века по настоящее время. Специфика - отказ от примата конкурентных взаимоотношений в ценозе; в фитоценологии смена парадигмы дискретности на парадигму континуальности; развитие методов и теории экологического мониторинга.

В последнее десятилетие произошло объединение ряда тенденций последних периодов. Учеными признается как континуальность, так и дискретность растительного покрова - в природе есть и то, и это, формируется новая парадигма - биологического разнообразия.

Особый вклад в развитие экологии внес В.И. Вернадский, создавший учение о биосфере, которое стало основой современной экологии.

Важную роль в дифференциации экологической науки имел III Ботанический конгресс, который состоялся в 1910 году в Брюсселе. На нем было решено разделить экологию растений на экологию особей (аутэкологию) и экологию сообществ (синэкологию). Это разделение распространился также на экологию животных и общую экологию. В 30-е годы ХХ века сформировалась популяционная экология - демэкология, которая изучает структуру вида: биологическую, половую, возрастную, описывает колебания численности различных видов и устанавливает их причины.

Следовательно, экология как биологическая наука изучает организацию жизни растений и животных, взаимодействие живых организмов с окружением, условиями существования, методом жизни. Общая экология сформировалась в 60-70-е годы ХХ века на основе обобщения и системного анализа приобретенных знаний об уровнях организации живой материи (экологи Дж. Кларк, Ю. Одум, М. Реймерс, И. Дедю и др.). Современная экология интенсивно изучает взаимодействие человека и биосферы, общественного производства с окружающей средой. Кроме того, экология занимается исследованием всех типов экосистем.

На сегодняшний день, при обобщении всех научных направлений и течений универсальная экология делится на два взаимосвязанных направления: теоретическую и практическую (прикладную).

Теоретическая экология базируется на изучении и разработке экологии живых организмов. Базу ее составляет биоэкология - материнский субстрат экологической науки, в состав которой входят: экология человека, экология микромира, экология растений, экология животных, экспериментальная экология, биоэкомониторинг.

Практическая экология объединяет три больших раздела:

1. геоэкология - изучает геоэкосистемы - территориальные единицы, которые контролируются человеком и представляют собой участки ландшафтной сферы. Она решает взаимосвязанные задачи оценки жительства и разнообразной производственной деятельности человека, а также прогнозирование устойчивости природы и ее реакции на различные антропогенные воздействия. В ее состав входит охрана атмосферы, охрана гидросферы, охрана геологической среды, охрана земельных ресурсов, ландшафтная экология;

2. социоэкология - изучает социоэкосистемы - взаимодействие природы и общества. Взаимосвязь природных и социальных факторов труда определяется формами собственности, общественным разделением труда, уровнем развития науки и техники, которые в совокупности предопределяют исторически конкретный способ материального и духовного производства, характер освоения и преобразования человеком природной и социальной действительности. В ее состав входит: психоэкология, урбоэкология, экология народонаселения, природоохранное законодательство и международное сотрудничество по охране биосферы;

3. техноэкология - изучает техноэкосистемы - созданные в результате воздействия на окружающую среду техногенных факторов: экология энергетики, промышленности, агроэкология, экология транспорта, экологическая экспертиза, экология военной деятельности.

Главные задачи экологии - это: установление закономерностей взаимосвязей между организмами, их группировками и условиями окружающей среды; исследования структуры и функционирования группировок организмов; разработка методов определения экологического состояния естественных и искусственных группировок; наблюдения за изменениями в отдельных экосистемах и биосфере в целом, прогнозирования их последствий; создание базы данных и разработка рекомендаций для экологически безопасного планирования хозяйственной и социальной деятельности человека; применение экологических знаний в сфере охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов.

Предметом экологии является разнообразие и структура связей между организмами, их группировками и средой обитания, а также состав и закономерности функционирования группировок организмов: популяций, биогеоценозов, биосферы в целом.

Экология как отрасль знаний имеет свой понятийный и терминологический аппарат.

Экосистема - объект изучения в экологии - единый природный комплекс, образованный за долгий период живыми организмами и средой, в которой они существуют, и где все компоненты тесно связаны обменом веществ и энергии.

Наряду с понятием “экосистема” существует понятие “биогеоценоз” (предложенное в 1942 г. выдающимся русским ученым В.М. Сукачевым) - объект изучения в биологии - это исторически сложившийся взаимообусловленный комплекс живых и неживых компонентов определенного участка земной поверхности, которые связаны между собой обменом веществ, энергии и информации. В его состав входят два компонента:

1. биотоп - однородный участок земли, который характеризуется определенной совокупностью факторов живой и неживой природы (климатоп - атмосфера, эдафотоп - почва и грунтовые воды, литотоп - литогенная база и другие);

2. биоценоз - сообщество организмов (продуцентов, консументов, редуцентов), обитающих в пределах одного биотопа (зооценоз, фитоценоз, микробиоценоз).

Популяция - совокупность особей одного вида с одинаковым генофондом, которая живет на общей территории в течение многих поколений.

Вид (биологический) - совокупность организмов с родственными морфологическими признаками, которые могут скрещиваться между собой и имеют общий генофонд. Это основная структурная единица в системе живых организмов.

Гомеостаз - состояние внутреннего динамического равновесия природной системы (экосистемы), поддерживаемое регулярным возобновлением ее основных элементов и вещественно-энергетического состава, а также постоянным функциональным саморегулированием компонентов.

Окружающая среда - часть земной природы, с которой человеческое общество непосредственно взаимодействует в своей жизни и производственной деятельности. Оно содержит в себе природную и техногенную (искусственную) среды, которые в наше время тесно связаны между собой.

Природная среда - это все живое и неживое, что окружает организмы, и с чем они взаимодействуют (воздушное, водное, почвенное и прочее).

Основные экологические законы:

1. Закон минимума Ю. Либиха.

При стационарном состоянии лимитирующим будет то вещество, доступное количество которого наиболее близко к необходимому минимуму. Стойкость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей.

2. Закон толерантности (закон Шелфорда).

Отсутствие или невозможность развития экосистемы определяется не только недостатком, но и избытком любого из факторов (тепло, свет, вода и т. д). Фактором, лимитирующим процветание организма, может быть, как минимум, так и максимум экологического воздействия, диапазон между которыми определяет степень выносливости (толерантности) организма к данному фактору.

3. Закон конкурентного исключения.

Два вида, занимающие одну экологическую нишу, не могут сосуществовать в одном месте бесконечно долго.

4. Закон биогенной миграции атомов (закон В.И. Вернадского).

Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется под превосходящим влиянием живого вещества, организмов.

5. Закон внутреннего динамического равновесия.

Вещество, энергия, информация и динамические качества отдельных природных систем находятся в тесной взаимосвязи. Изменение одного из показателей неминуемо приводит к функционально-структурным изменениям других, при условии сохранения общих качеств системы - вещественно-энергетических, информационных и динамических.

6. Закон генетического разнообразия.

Все живое генетически различно и имеет тенденцию к увеличению биологической разнородности.

7. Закон исторической необратимости.

Общий процесс развития биосферы и человечества однонаправленный.

8. Закон константности (сформулированный В.И. Вернадским).

Количество живого вещества биосферы, созданного за определенное геологическое время, является постоянной величиной.

9. Закон корреляции (сформулированный Ж. Кювье).

В организме как целостной системе все его части соответствуют друг другу как по строению, так и по функциям.

10. Закон максимизации энергии (сформулированный Г. и Ю. Одумами и дополненный М. Реймерсом).

В конкуренции с другими системами сохраняется та из них, которая больше всего способствует поступлению энергии и информации и использует максимальное их количество наиболее эффективно.

11. Закон максимума биогенной энергии (закон Вернадского-Бауэра).

Любая биологическая и бионесовершенная система с биотой, которая находится в состоянии «стойкого неравновесия» (динамично подвижного равновесия с окружающей средой), увеличивает, развиваясь, свое влияние на среду.

12. Закон ограниченности природных ресурсов.

Все природные ресурсы в условиях Земли исчерпаемые.

13. Закон однонаправленности потока энергии.

Энергия, которую получает экосистема и которая усваивается продуцентами, рассеивается или вместе с их биомассой необратимо передается консументам первого, второго, третьего и других порядков, а затем редуцентам, что сопровождается потерей определенного количества энергии на каждом уровне трофической как следствие процессов, которые сопровождают дыхание.

14. Закон оптимальности.

Никакая система не может сужаться или расширяться до бесконечности.

15. Закон пирамиды энергий (сформулированный Р. Линдеманном).

С одного трофического уровня экологической пирамиды на другой переходит в среднем не более 10% энергии.

16. Закон равнозначности условий жизни.

Все естественные условия среды, необходимые для жизни, играют равнозначные роли.

17. Закон развития окружающей среды.

Любая естественная система развивается лишь за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей среды.

18. Закон уменьшения энергоотдачи в природопользовании.

Процесс получения из природных систем полезной продукции, со временем (в историческом аспекте) на ее изготовление в среднем расходуется все больше энергии (возрастают энергетические затраты на одного человека).

19. Закон совокупного действия естественных факторов (закон Міичерлиха-Тинеманна-Бауле).

Размер урожая зависит от всей совокупности экологических факторов одновременно.

20. Закон почвоутомления (снижение плодородия).

Из-за длительного использования и нарушения естественных процессов почвообразования происходит постепенное снижение естественного плодородия почв.

21. Закон физико-химического единства живого вещества (сформулированный В.И. Вернадским).

Вся живое вещество Земли имеет единую физико-химическую природу.

22. Закон экологической корреляции.

В экосистеме живое вещество и абиотические компоненты функционально соответствуют друг другу, выпадение одной части системы неизбежно приводит к исключению связанных с ней других частей экосистемы и функциональных изменений.

23. Законы Б. Коммонера:

- все связано со всем;

- все должно куда-то деваться;

- природа знает лучше;

- ничто не дается даром.

24. Закон эмерджентности.

Целое всегда имеет особые свойства, отсутствующие у его частей.

25. Закон необходимого разнообразия.

Система не может состоять из абсолютно идентичных элементов, но может иметь иерархическую организацию и интегративные уровни.

26. Закон необратимости эволюции.

Организм (популяция, вид) не может вернуться к предыдущему состоянию, реализованного его предками.

27. Закон усложнения организации.

Историческое развитие живых организмов приводит к усложнению их организации путем дифференциации органов и функций.

28. Биогенный закон (Е. Геккель).

Онтогенез организма является кратким повторением филогенеза данного вида, т.е. развитие индивида сокращенно повторяет историческое развитие своего вида.

29. Закон неравномерности развития частей систем.

Система одного вида развивается не совсем синхронно - в то время, когда один достигает более высокой стадии развития, другие остаются в менее развитом состоянии.

30. Закон сохранения жизни.

Жизнь может существовать только в процессе движения через живое тело потока веществ, энергии, информации.