экология итог. 1. Экология как наука. Предмет и задачи экологии
 Скачать 93.7 Kb.
|
|
1. Экология как наука. Предмет и задачи экологии Экология — наука о взаимоотношениях и взаимодействии между различными живыми существами и окружающей их средой, об обмене веществ и потоках энергии, которые делают возможной жизнь на Земле, и о приспособлениях организмов к изменяющимся условиям существования (В. Лархер, 1978 г.). Термин «экология» (от гр. слов oicos — «дом, убежище», logos — «наука») был впервые предложен биологом-дарвинистом Э. Геккелем в 1866 г. Предмет экологии — изучение совокупности или структуры связей между организмами и природной средой. Главным объектом изучения экологии являются экологические системы (природные комплексы живых организмов и среда их обитания). Кроме них, данная наука занимается изучением организменного, популяционно-видового и биосферного уровней. Основная часть экологии как биологической науки — общая экология (или биоэкология), изучающая общие закономерности взаимоотношений живых организмов и среды. Выделяют следующие основные разделы экологии: 1) аутэкология, или экология особей, занимающаяся исследованием индивидуальных связей отдельного организма (вида, особи) с его природной средой; 2) демэкология, или популяционная экология, изучающая динамику и структуру популяций отдельных видов; 3) синэкология, или экология сообществ, которая изучает взаимодействие популяций, сообществ и экосистем с окружающей средой. В зависимости от временного фактора в экологии выделяют историческую и эволюционную экологию. Кроме этого, различают экологию микроорганизмов, экологию растений и экологию животных. Экологическими проблемами планеты занимается глобальная экология; объект ее изучения — биосфера. Задачи теоретической экологии (В. И. Коровкин, 2003 г.): 1) разработка общей теории устойчивости экологических систем; 2) изучение экологических механизмов адаптации к среде; 3) исследование регуляции численности популяций; 4) изучение биологического разнообразия и механизмов его поддержания; 5) исследование продукционных процессов; 6) исследование процессов, протекающих в биосфере, с целью поддержания ее устойчивости; 7) моделирование состояния экосистем и глобальных биосферных процессов. Задачи прикладной экологии: 1) прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий в окружающей природной среде под влиянием деятельности человека; 2) улучшение качества окружающей природной среды; 3) сохранение, воспроизводство и рациональное использование природных ресурсов; 4) оптимизация инженерных, экономических, организационно-правовых, социальных и иных решений для обеспечения наиболее экологически неблагополучных районах. 2. История развития экологии развития экологии разделяют на три этапа. Первый этап (XVII–XVIII вв.) является этапом зарождения экологии как науки, характеризующийся накоплением данных о взаимосвязи организмов с природной средой. В этот период Т. Мальтус и Ж. Б. Ламарк первыми обосновали негативные последствия влияния деятельности человека на природу. Второй этап (вторая половина XIX в.) экология становится самостоятельной отраслью знаний. Данный этап начинается с работ русских ученых Н. А. Северцова, В. В. Докучаева и других, которые предложили основные принципы и понятия экологии, актуальные до настоящего времени. В 1877 г. немецкий гидробиолог К. Мебиус ввел понятие о биоценозе. Огромный вклад в развитие основ экологии внес Ч. Дарвин, открывший основные факторы эволюции живых организмов. Именно в этот период (1866 г.) немецкий биолог Э. Геккель предложил термин «экология». Экология как самостоятельная наука окончательно сформировалась в начале XX в. Начинают публиковаться обобщения и сводки различных иностранных ученых (Ч. Адамс, В. Шелфорд и др.). В. И. Вернадским создается фундаментальное учение о биосфере. В 1935 г .А. Тенсли выдвинул понятие «экологическая система», а в 1940 г. русский ученый В. Н. Сукачев предложил понятие «биогеоценоз». Во второй половине XX в. экология приобретает особое значения, что связано с загрязнением окружающей среды в результате антропогенного воздействия. Закладываются научные основы охраны природы Г. А. Кожевниковым, В. В. Докучаевым, С. В. Завадским и др. В третьем этапе (середина XX в. идо настоящего времени) развития экологии происходит переход экологии в комплексную науку, которая включает в себя науки об охране природной и окружающей среды. Данный период связан с именами таких ученых, как Д. Харпер, Ю. Одум, Р. Уиттекер, Т. Миллер, Ю. Н. Куражковского, Н. Ф. Реймерса и др. При исследовании и изучении проблемы истощения природных ресурсов на основе экологии появляется наука Основы природопользования. В 1959 г. экологом Ю. Н. Куражковским был предложен термин «природопользование» и его определение «комплексная научная дисциплина, исследующая общие принципы рационального (для данного исторического момента) использования природных ресурсов человеческим обществом. Ее задачи сводятся к разработке принципов осуществления всякой деятельности, связанной либо с непосредственным пользованием природой и ее ресурсами, либо с изменяющими ее воздействиями». В последнее десятилетие возникла новая научная дисциплина — геоэкология, изучающая антропогенные изменения территориальных и аквасистем, их компонентов и последствия этих изменений. 3. Все методы, применяемые в экологических исследованиях, можно разделить на три большие группы. 1. Полевые методы. Их использование позволяет изучить конкретное влияние целого комплекса экологических факторов на развитие и жизне- деятельность популяции в естественных условиях. К ним можно отнести: а) методы регистрации и оценки состояния среды (например, ме- теорологические наблюдения, измерения освещенности, мони- торинг); б) методы количественного учета организмов; в) методы оценки биомассы и продуктивности растений и животных. 2. Экспериментальные методы. Они позволяют исследовать вли- яния отдельных факторов среды на жизнедеятельность организмов в лабораторных условиях. В реальной среде обитания невозможно рассмотреть воздействие на организм или сообщество отдельного фактора, так как они действу- ют комплексно. Поэтому создаются искусственные модели экосистем, аналогичные естественным. 3. Методы математического моделирования и экологического прогно- зирования. Они дают возможность прогнозировать развитие экосистем в зависимости от изменений климата и антропогенных воздействий. В основе этих моделей лежит количественный анализ наблюдений специалистов разного профиля: биологов, геологов, гидрологов, ме- теорологов, микробиологов и т. д. Эти данные обрабатываются с по- мощью компьютерных программ, анализируются. В результате их оценки делаются выводы о последствиях того или иного воздействия на экосистему в режиме реального времени или через десятилетия. Как правило, в экологических исследованиях эти и другие применя- емые методы исследований используются совместно или в комплексе. 4. Экологические факторы – это отдельные элементы среды обитания, которые воздействуют на организмы. Каждая из сред обитания отличается особенностями воздействия экологических факторов. По природе экологические факторы делят на абиотические, биотические и антропогенные. 1. Абиотические факторы — это все свойства неживой природы, ко- торые прямо или косвенно влияют на живые организмы. Абиотические факторы среды можно разделить на несколько групп в зависимости от причины воздействия (рис. 5). Например, к климатическим факторам можно отнести темпера- туру, свет, давление, влажность воздуха, атмосферные осадки, ветер, ионизирующую радиацию. К космическим факторам — космическую пыль, метеориты, астеро- иды, циклические изменения солнечной активности — выброс плазмы, усиление коротковолнового и радиоизлучения с поверхности Солнца. 2. Биотические факторы — это все формы воздействия живых орга- низмов (микроорганизмов, растений, животных и их сообществ) друг на друга. Раньше к биотическим факторам относили и воздействие человека на живые организмы, однако в настоящее время выделяют особую ка- тегорию факторов, порождаемых человеком. 3. Антропогенные факторы — это все формы деятельности челове- ческого общества, которые приводят к изменению природной среды обитания, других биологических видов и непосредственно сказывают- ся на их жизни. Человек загрязняет и тем самым разрушает природную среду. К этим факторам относятся: загрязнение атмосферы и водной среды, вырубка леса, осушение болот, уничтожение животных и т. д. Абиотические и антропогенные факторы могут оказывать на ор- ганизм косвенное (опосредованное) или прямое (непосредственное) воздействие. Некоторые свойства среды остаются относительно постоянными на протяжении длительного времени в эволюции видов. Например, сила тяготения, солнечная постоянная, солевой состав океана, свой- ства атмосферы. Большинство факторов (температура, влажность, ветер, осадки, наличие пищи, хищники, паразиты, конкуренты) постоянно изменя- ется в пространстве и во времени. Степень изменчивости каждого из этих факторов зависит от осо- бенностей среды обитания. Например, температура сильно варьирует на суше, но почти постоянна на дне океана или в глубине пещер. Па- разиты млекопитающих живут в условиях избытка пищи, а для свобод- ноживущих хищников ее запасы все время меняются из-за изменения численности жертв. А.С. Мончадский в 1958 г. определил, что в зависимости от дей- ствия во времени все факторы среды можно подразделить на: 1) стабильные — не изменяются в течение длительного периода времени (например, газовый состав атмосферы, магнитное поле Земли); 2) регулярные — меняют силу воздействия в связи со временем су- ток, сезоном года или ритмом приливов и отливов в океане; 3) нерегулярные — изменяются без четкой периодичности (напри- мер, погода, бури, ливни, обвалы, осадки, скорость и направле- ние ветра, эпидемии). 5. Экологические факторы влияют на организмы по-разному. Действуя как раздражители, они вызывают ответные реакции организмов физиологического и биохимического характера. Например, понижение температуры воздуха или воды приводит к замедлению обмена веществ у холоднокровных организмов, вызывает у них снижение уровня работы ферментов и переход к неактивному жизненному состоянию. Действуя как ограничители, экологические факторы делают невозможным существования тех или иных организмов в конкретных условиях среды. Так, недостаток влаги ограничивает распространение растений и животных в пустынях. Действуя как модификаторы, экологические факторы приводят к структурно-функциональным изменениям организмов. Например, постоянно дующие сильные ветры служат причиной формирования у деревьев и кустарников флаговых крон. Действуя как сигналы, экологические факторы информируют организмы об изменениях других факторов. Например, убывание светового дня служит сигналом для отлёта перелётных птиц в тёплые края, подготовки млекопитающих к зимовке. 6. Закон оптимума выражается в том, что любой экологический фактор имеет определенные пределы положительного влияния на живые организмы. В соответствии с этим правилом для экосистемы, организма или определенной стадии его развития имеется диапазон наиболее благоприятного (оптимального) значения фактора. За пределами зоны оптимума лежат зоны угнетения –зоны пессимума –это условия при которых жизнедеятельность организма максимального угнетается, но он еще может существовать, как показано на рис. При пересечении кривой с горизонтальной осью находятся две критические точки. Это такие значения фактора, которые организмы уже не выдерживают, за пределами наступает смерть. Расстояние между критическими точками показывает степень выносливости организмов к изменениям фактора. Условия, близкие к критическим точкам, особенно тяжелы, для выживания. Такие условия называют экстремальными. К зоне оптимума обычно приурочена максимальное количество видов и плотность популяции. Зоны оптимума для различных организмов неодинаковые. Для одних они имеют значительный диапазон. Закон минимума Либиха. Любому живому организму необходимы не вообще температура, влажность, минеральные и органические вещества или какие-нибудь другие факторы, а их определенный режим. Реакция организма зависит от количества (дозы) фактора. Кроме того, живой организм в природных условиях подвергается воздействию многих экологических факторов (как абиотических, так и биотических) одновременно. Растения нуждаются в значительных количествах влаги и питательных веществ (азот, фосфор, калий) и одновременно в относительно «ничтожных» количествах таких элементов, как бор и молибден. Любой вид животного или растения обладает четкой избирательностью к составу пищи: каждому растению необходимы определенные минеральные элементы. Любой вид животного по-своему требователен к качеству пищи. Для того чтобы нормально существовать, развиваться, организм должен иметь весь набор необходимых факторов в оптимальных режимах и достаточных количествах. Тот факт, что ограничение дозы (или отсутствие) любого из необходимых растению веществ, относящихся как к макро-, так и к микроэлементам, ведет к одинаковому результату — замедлению роста, обнаружен и изучен одним из основоположников агрохимии немецким химиком Юстасом фон Либихом. Сформулированное им в 1840 г. правило называют законом минимума Либиха: величина урожая определяется количеством в почве того из элементов питания, потребность растения в котором удовлетворена меньше всего. Закон минимума Либиха в настоящее время называется законом ограничивающего лимитирующего фактора: в комплексе экологических факторов сильнее действует тот, который наиболее близок к пределу выносливости.Закон минимума справедлив как для растений, так и для животных, включая человека, которому в определенных ситуациях приходится употреблять минеральную воду или витамины для компенсации недостатка каких-либо элементов в организме. 7. В спектре солнечного излу- чения можно выделить три области, различные по биологическому действию: ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную. Около 45 % солнечной энергии излучается в инфракрасной обла- сти, 45 % — в видимой, 10 % — в ультрафиолетовой и рентгеновской областях. Для живых организмов важны качественные признаки света — длина волны, интенсивность и продолжительность воздействия. Ультрафиолетовая (УФ) часть спектра характеризуется самой вы- сокой энергией квантов и высокой фотохимической активностью. Короткие УФ-лучи с длиной волны 150–400 нм губительны для всего живого. Они практически полностью поглощаются озоновым экраном, который представляет собой тонкий слой атмосферы, содер-жащий молекулы озона. Озоновый экран находится на высоте около 25–35 км от поверхности Земли. До поверхности Земли доходит лишь небольшая часть более длин- ных ультрафиолетовых лучей (290–380 нм). Эти лучи обладают высокой химической активностью — при боль- шой дозе могут повреждать живые организмы. В небольших количе- ствах, однако, они необходимы. У животных и человека длинноволно- вые УФ-лучи способствуют синтезу витамина D. Они имеют загарное и бактерицидное действие. Насекомые зрительно различают эти лучи, т. е. видят в ультрафиолетовом свете. Они могут ориентироваться по поляризованному свету. У растений длинноволновые УФ-лучи способствуют синтезу неко- торых биологически активных соединений (витаминов, пигментов). Инфракрасные лучи (800–1000 нм) глаз человека не воспринима- ет, но они являются основным источником тепловой энергии. Эти лучи поглощаются тканями животных и растений, вследствие чего ткани нагреваются. Многие холоднокровные животные (яще- рицы, змеи, насекомые) используют солнечный свет для повышения температуры тела. Инфракрасные лучи ускоряют ферментативные и иммунобиоло- гические реакции, рост клеток и регенерацию тканей. У растений под их влиянием осуществляется транспирация, создаются оптимальные условия для работы устьичного аппарата. Видимые лучи с длиной волны 400–750 нм, достигающие поверх- ности Земли, имеют особенно большое значение для организмов. Видимый свет обеспечивает фотосинтез, имеет сигнальное и условно- рефлекторное значение для ориентировки в пространстве, усиливает био- химические процессы, иммунобиологическую реактивность. Свет имеет разное экологическое значение для автотрофных и ге- теротрофных организмов. Растениям свет необходим для: 1) образования хлорофилла; 2) образования гран хлоропластов; 3) регуляции работы устьичного аппарата; 4) газообмена и транспирации; 5) активации ряда ферментов; 6) биосинтеза нуклеиновых кислот и белков; 7) влияния на сроки размножения, роста, цветения, плодоноше- ния и формообразования. Интенсивность фотосинтеза зависит от изменения длины волны света. Например, при прохождении света через воду красная и синяя части спектра отфильтровываются, а получающийся зеленоватый свет слабо поглощается хлорофиллом. Однако красные водоросли имеют до- полнительные пигменты (фикоэритрины), позволяющие им использо- ватьэтуэнергиюижитьнабо* льшихглубинах,чемзеленыеводоросли. У некоторых растений, например у эвкалипта, фотосинтез не ингибируется прямым солнечным светом. В данном случае имеет место компенсация факторов, так как отдельные растения и целые сообще- ства приспосабливаются к различным интенсивностям света, стано- вясь адаптированными к тени (диатомовые, фитопланктон) или к пря- мому солнечному свету. По отношению к свету выделяют 3 группы растений. 1. Светолюбивые — растения открытых мест с хорошей освещен- ностью. Это растения степей, пустынь, полупустынь (ковыль, полынь, злаки) или верхних ярусов лесов (сосна, береза). 2. Теневыносливые — растения, которые могут произрастать в усло- виях хорошего освещения или легко переносить некоторое затенение. Например, дуб, ель, береза, осина, сосна, зверобой, земляника. |