экология. Экология как наука
 Скачать 433 Kb.
|
|
1.Экология как наука. История экологического знания насчитывает много веков. Уже первобытным людям необходимо было иметь определенные знания о растениях и животных, их образе жизни, взаимоотношениях друг с другом и с окружающей средой. В рамках общего развития естественных наук происходило и накопление знаний, ныне принадлежащих к области экологической науки. Как самостоятельная обособившаяся дисциплина экология выделилась в XIX в. Термин экология (от греч. экое - дом, логос - учение) в науку ввел немецкий биолог Эрнест Геккель.В 1866 г. в работе «Всеобщая морфология организмов» он писал, что это «... сумма знаний, относящихся к экономике природы: изучению всей совокупности взаимоотношений животного с окружающей его средой, как органической, так и неорганической, и прежде всего его дружественных или враждебных отношений с теми животными и растениями, с которыми оно прямо или косвенно вступает в контакт». Такое определение относит экологию к биологическим наукам. В начале XX в. формирование системного подхода и разработка учения о биосфере, которое является обширнейшей областью знания, включающей в себя множество научных направлений как естественного, так и гуманитарного цикла, в том числе и общую экологию, обусловили распространение экосистемных взглядов в экологии. Основным объектом для изучения в экологии стала экосистема.Экосистемой называют совокупность живых организмов, взаимодействующих друге другом и с окружающей их средой посредством обмена веществом, энергией и информацией таким образом, что эта единая система сохраняет устойчивость в течение продолжительного времени.Все возрастающее воздействие человека на окружающую среду потребовало вновь расширить границы экологического знания. Во второй половине XX в. научно-технический прогресс повлек за собой ряд проблем, получивших статус глобальных, таким образом, в поле зрения экологии явственно обозначились вопросы сравнительного анализа природных и техногенных систем и поиска путей их гармоничного сосуществования и развития.Соответственно дифференцировалась и усложнялась структура экологической науки. Сейчас ее можно представить как четыре основные ветви, имеющие дальнейшее деление: биоэкология, геоэкология, экология человека, прикладная экология.Таким образом, мы можем дать определение экологии как науки об общих законах функционирования экосистем различного порядка, совокупности научных и практических вопросов взаимоотношений человека и природы. 2. Современное понимание экологии как науки об экосистемах и биосфере. Вначале экология, оставаясь в рамках биологической науки, имела непосредственную связь с ботаникой и зоологией, затем росли и крепли связи с такими дисциплинами, как география, почвоведение и климатология. В начале XX в. формирование системного подхода и разработка учения о биосфере, которое является обширнейшей областью знания, включающей в себя множество научных направлений как естественного, так и гуманитарного цикла. в том числе и общую экологию, обусловили распространение экосистемных взглядов в экологии. Основным объектом для изучения в экологии стала экосистема.Экосистемой называют совокупность живых организмов, взаимодействующих друг с другом и с окружающей их средой посредством обмена веществом, энергией и информацией таким образом, что эта единая система сохраняет устойчивость в течение продолжительного времени. Дальнейшее развитие экологии связано с возрастающим вовлечением в круг рассматриваемых вопросов проблем взаимодействия общества и природы. В настоящее время структуру экологии можно представить как четыре основные ветви, имеющие дальнейшее деление: биоэкология, геоэкология, экология человека, прикладная экология.Биоэкология, в свою очередь, делится на: аутэкологию - экологию особей и видов; синэкологию - экологию популяций и сообществ, экологию биоценозов; эволюционную экологию.Геоэкология рассматривает биосферные оболочки Земли. Сюда включается экология географических сред соответственно.Экология человека представляет комплекс дисциплин, изучающих взаимодействие человека как живого организма и социального элемента с окружающей средой и обществом. Сюда включаются такие дисциплины, как социальная экология, медицинская экология и т.п.Прикладная экология обеспечивает теоретический фундамент тем областям человеческой деятельности, которые так или иначе связаны с живой природой. Она исследует техногенные и антропогенные воздействия на природные системы, устанавливает для них нормативные и лимитирующие величины, являясь теоретической базой охраны природы. К этой области относятся сельскохозяйственная экология, инженерная экология, экология природно-технических геосистем, экологическое образование и менеджмент. 3. Проблемы, связанные с антропогенным воздействием на биосферу. Глобальные процессы образования и движения живого в биосфере обусловлены круговоротом огромных масс вещества и колоссальных потоков энергии. Процессы, происходящие с участием живого вещества, превосходят чисто геологические по интенсивности и скорости. Человечество же создает дополнительный - антропогенный - канал.Адаптация человека в окружающей среде шла по двум направлениям:1) человек приспосабливался к новым природным условиям, менял свой способ хозяйства и, следовательно, вырабатывал новый стереотип поведения;2) человек приспосабливал природу под себя, создавая вторичные, антропогенные геобиоценозы согласно отработанному стереотипу поведения. Причем в естественных условиях оба процесса переплетались.Многие характеристики развития человеческого общества имеют интересную особенность - графически их можно представить в виде кривой, близкой к экспоненте. Примерно 200 лет назад человечество вступило в индустриальную фазу развития. Произошла сначала промышленная, а затем в XX в. и научно-техническая революция. Все это позволило человечеству скачкообразно увеличить свою численность, произошло явление, называемое демографическим взрывом. Масштабы воздействия человека на биосферу стали сравнимы с масштабами естественных процессов, человечество стало мощной силой, преобразующей лик планеты. В результате чего стали заметны определенные сдвиги в биосферных процессах.В процессе совместной эволюции общества и природы, предсказывал Вернадский, биосфера должна будет преобразоваться в новое состояние - ноосферу - сферу разумной жизни. Опыт всех предшествующих поколений и настоящего времени показывает, что человечество, к сожалению, движется не к созданию гармоничной с природой ноосферы, а по пути деструкции биосферы и замены ее инженерно-техническими сооружениями (техносферой). В результате преобразования человеком естественных местообитаний, а также и прямого уничтожения исчезают многие виды живых организмов, снижается биоразнообразие, являющееся основой устойчивости экосистем. Нерациональное ведение сельского хозяйства приводит к истощению почв и распространению процессов опустынивания, нарушению водных режимов территорий. Возможно, самым грозным проявлением воздействия человека на биосферу является загрязнение окружающей среды. Влияние загрязнений может проявляться различно, но это всегда разрушающее воздействие, приводящее к стрессу, деградации, а в конечном счете и к гибели экосистемы. 4. Экологический кризис С точки зрения экологии представляет интерес рассмотрение воздействия человека на экологические системы под углом зрения соответствия или противоречия действий человека объективным законам функционирования природных экосистем. Все многообразие видов деятельности человека в биосфере приводит к изменениям состава биосферы, круговоротов и баланса слагающих ее веществ; энергетического баланса биосферы; биоты. Направленность и степень этих изменений таковы, что самим человеком им дано название экологического кризиса. Современный экологический кризис характеризуется следующими проявлениями: 1) постепенное изменение климата планеты вследствие изменения баланса газов в атмосфере;2) общее и местное (над полюсами, отдельными участками суши) разрушение биосферного озонового экрана;3) разрыв естественных экологических связей между океаном и водами суши в результате строительства плотин на реках, приводящий к изменению твердого стока, нерестовых путей и т.п.;4) загрязнение атмосферы с образованием кислотных осадков, высокотоксичных веществ в результате химических и фотохимических реакций;5) загрязнение вод суши, в том числе речных, служащих для питьевого водоснабжения, высокотоксичными веществами, включая диоксины, тяжелые металлы, фенолы;6) опустынивание планеты;7) деградация почвенного слоя, уменьшение площади плодородных земель, пригодных для сельского хозяйства; 8) радиоактивное загрязнение отдельных территорий в связи с захоронением радиоактивных отходов, техногенными авариями и т.п.; 9) накопление на поверхности суши бытового мусора и промышленных отходов, в особенности практически неразлагающихся пластмасс; 10) сокращение площадей тропических и северных лесов, ведущее к дисбалансу газов атмосферы, в том числе сокращению концентрации кислорода в атмосфере планеты;11) загрязнение подземного пространства, включая подземные воды, что делает их непригодными для водоснабжения и угрожает пока еще мало изученной жизни в литосфере;12) массовое и быстрое, лавинообразное исчезновение видов живого вещества;13) ухудшение среды жизни в населенных местах, прежде всего в урбанизированных территориях; 14) общее истощение и нехватка природных ресурсов для развития человечества;15) изменение размера, энергетической и биогеохимической роли организмов, переформирование пищевых цепей, массовое размножение отдельных видов организмов;16) нарушение иерархии экосистем, увеличение системного однообразия на планете. 5. Биосфера и человек Структурно биосфера представляет собой совокупность функционально связанных и иерархически соподчиненных единиц - экосистем. В связи с этим одно из наиболее катастрофичных последствий деятельности человека связано с разрушением структуры экосистем и, следовательно, с разрушением структуры биосферы в целом как системной целостности. Очевидно, что система с нарушенной структурой уже не может выполнять своих прежних функций, поэтому, как правило, разрушение внутренней структуры экосистемы ведет к ее исчезновению с поверхности Земли. Установлено, что если разрушение затрагивает три и более уровней иерархии экосистем, то начинается сначала замедленный, а потом все более ускоряющийся процесс опустынивания - искажаются процессы образования почв, меняется химия среды, исчезают многие виды организмов. Разрушение экосистем сопровождается исчезновением видов. Проблема исчезновения видов состоит не просто в том, что их невозможно восстановить, но и в том, что их место займут другие. Вопрос в том, какие. Не случайно существуют организмы разного размера, неодинаковой суточной активности и т.п. Полностью безлесая Земля, населенная мелкими животными, будет совсем иной, чем сейчас. Изменятся круговороты всех веществ, газовый состав атмосферы, качество и количество воды в реках, другие условия жизни. Они могут оказаться совершенно не пригодными для существования человека. Он исчезнет как биологический вид. Таким образом, существуют определенные закономерности замены экосистем в биосфере и видов в экосистеме. Их можно сформулировать следующим образом: 1) «свято место пусто не бывает»; 2) крупные организмы исчезают раньше, их сменяют мелкие; 3) более эволюционно высокоорганизованные виды вытесняются низкоорганизованными, быстрее размножающимися существами; 4) всегда побеждают те, кто быстрее и легче изменяется, в том числе генетически. Закон системного сепаратизма утверждает, что разнокачественные составляющие всегда структурно относительно независимы. Разрушение структуры экосистемы вследствие деятельности человека сопровождается стиранием функциональных границ между экосистемами, что ведет к их нарушению. Закон развития природной системы за счет окружающей ее среды: любая природная система может развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей ее среды. Если раньше было достаточно сохранения лишь особо «важных» территорий, то теперь необходимо ставить вопрос о том, чтобы преобразуемые пространства занимали лишь сравнительно 6. Происхождение и строение Земли, ее оболочки, их структура, взаимосвязь, динамика Взрывы сверхновых сопровождаются возникновением в межзвездной среде ударных волн, которые приводят к повышению давления и плотности вещества. При этом могут возникать сгущения, способные в дальнейшем сжиматься уже за счет самогравитации. Так и происходило зарождение нашей системы, в центральной области которой по мере роста давления и температуры сформировался гигантский газовый сгусток - Протосолнце. Одновременно со сжатием протосолнечного облака под влиянием центробежных сил его периферийные участки стягивались к экваториальной плоскости вращения облака, превращаясь таким образом в плоский диск - протопланетное облако, из которого произошли планеты Солнечной системы. В настоящее время планета Земля имеет ряд оболочек: 1) атмосферу - это наиболее легкая оболочка нашей планеты, граничащая с космическим пространством; 2) гидросферу - это водная оболочка Земли; 3) земную кору - это наиболее неоднородная твердая оболочка Земли, сложенная различными минеральными ассоциациями в виде осадочных, изверженных и метаморфических горных пород. Выделяются два основных типа земной коры - континентальный и океанический. Между ними находится промежуточный тип, который называют субконтинентальным; 4) литосферу - это верхняя твердая оболочка Земли, имеющая большую прочность и переходящая в нижележащую астеносферу. Она включает земную кору и верхнюю мантию до глубин примерно 200 км. Живое вещество биосферы в общем занимает ничтожное пространство в масштабе всего земного шара. Масса биосферы составляет примерно 0, 05% массы Земли, объем - 0, 4%. Но именно эта незначительная по размерам оболочка планеты есть область зарождения, развития и сохранения на протяжении миллиардов лет жизни в одной из точек Вселенной. Все оболочки Земли находятся в тесной взаимосвязи через круговороты вещества и потоки энергии. Выделяют два круговорота вещества: 1) большой (геологический); 2) малый (биотический). Большой круговорот измеряется масштабами геологического времени и длится сотни тысяч или миллионы лет. Он заключается в том, что происходит постоянное превращение материковой коры в океаническую и наоборот. На фоне этого глобального круговорота вещества в биосфере непрерывно происходят малые биотические круговороты. Этот круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы снова в неорганическую среду с использованием энергии Солнца и энергии химических реакций носит название биогеохимического цикла. 7. Природные ландшафтыЛандшафт (от нем. land «земля», schaft суффикс, выражающий взаимосвязь, взаимозависимость). Каждая наземная экосистема приурочена к конкретному ландшафту. В широком понимании ландшафт представляет собой природный территориальный комплекс, а в узком - конкретную территорию, однородную по своему происхождению, истории развития и неделимую по зональным и незональным признакам, обладающую единым геологическим фундаментом, однотипным рельефом, общим климатом, единообразным сочетанием гидротермических условий почв, биоценозов и, следовательно, однохарактерным набором простых геокомплексов (фаций и урочищ). В таком понимании географический ландшафт - одна из категорий физико-географического деления, рассматриваемая как основная единица и основной объект ландшафтного исследования. Классификацию ландшафтов можно провести на различных основаниях. Но наиболее употребительна классификация, основанная на генезисе ландшафта. Ландшафт абиогенный - ландшафт, сформировавшийся без существенного влияния живого вещества. К абиогенному ландшафту условно относят ландшафты центральной части Антарктиды, Гренландского ледяного щита, наиболее высоких вершин Гималаев, лавовые озера и др. Ландшафт антропогенный - ландшафт, свойства которого обусловлены деятельностью человека. По соотношению целенаправленных и непреднамеренных изменений различают преднамеренно измененные и непреднамеренно измененные ландшафты. Э. Гадач предложил за первыми сохранить название «антропогенных», а вторые именовать «антропическими». Различают также культурный ландшафт (сознательно измененный хозяйственной деятельностью человека) и акультурный, возникающий в результате нерациональной деятельности или неблагоприятных воздействий соседних ландшафтов. Ландшафт техногенный, антропоэкосистема - разновидность ландшафта, где человек выступает центральным элементом, определяющим функционирование и структуру ландшафта. Ландшафт природный - ландшафт, формирующийся или сформировавшийся под влиянием только природных факторов, не испытавший влияния деятельности человека. Научное направление, изучающее ландшафты путем анализа экологических отношений между растительностью и средой, структуру и функционирование природных комплексов на топологическом уровне, взаимодействие составных частей природного комплекса и воздействие общества на природную составляющую ландшафтов путем анализа балансов вещества и энергии, называется ландшафтной экологией. 8. Биосфера. Структура и границы биосферы Биосфера (от греч. bbs - «жизнь», spbaira - «шар») - одна из оболочек (сфер) Земли, состав и энергетика которой в существенных своих чертах определены работой живого вещества. Термин введен Э. Зюссом в 1875 г., в результате работ В.И. Вернадского этот термин стал обозначать всю ту наружную область планеты Земля, в которой не только существует жизнь, но которая в той или иной степени видоизменена или сформирована жизнью. Биосфера включает в себя тропосферу, гидросферу, литосферу. Область современного обитания живых организмов охватывает в среднем 1217 км - несколько меньше на суше, больше в океане. Сфера случайного попадания организмов и биогенных элементов колеблется до 4050 км. Считается, что нижняя граница биосферы в среднем лежит на глубине 3 км от поверхности суши и на 0,5 км ниже дна океана, хотя в буровых скважинах живые микроорганизмы обнаружены на глубине 4 км, а микробиологические остатки - до 7 км. В «черных курильщиках» - выходах термальных вод на дне океана на глубинах в 3 км при давлении около 300 атм (34 107 Па) обнаружены живые организмы при температуре 250 С (с повышением давления при t > 100 С вода не кипит). Растения поднимаются в горы до высоты около 5 км. Дальше царствует вечный холод, но жизнь здесь теплится - обитают некоторые паукообразные и микроорганизмы. Верхняя граница биосферы находится на высоте 2025 км на уровне озонового слоя, защищающего все живое от жесткого ультрафиолетового излучения. Выше случайно залетают только споры бактерий и грибов. Биосфера не только сфера жизни. Это видно из состава вещества биосферы, состоящего из глубоко разнородных геологически не случайных частей: 1) вещества, образуемые процессами, в которых живое вещество не участвует, - косное вещество, твердое, жидкое и газообразное; 2) биокосное вещество, которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя динамические равновесные системы тех и других. Организмы в их образовании играют ведущую роль; 3) вещество, находящееся в радиоактивном распаде. Это вещество в такой форме является одной из самых мощных сил, меняющей всю энергию биосферы; 4) вещество космического происхождения, атомы. С точки зрения иерархии уровней организации живой материи и системного подхода биосфера - совокупность всех экосистем (биогеоценозов). Все экологические ниши, пригодные для жизни, заняты биосферой, возникшей одновременно с появлением жизни на Земле (около 4 млрд лет назад) в виде примитивных протобиоценозов в первичном Мировом океане. 9. Функциональная целостность биосферы Система связей в биосфере чрезвычайно сложна и пока что расшифрована лишь в общих чертах. В целом биосфера очень похожа на единый гигантский суперорганизм, в котором автоматически поддерживается гомеостаз - динамическое постоянство физико-химических и биологических свойств внутренней среды и стойкость основных функций. С точки зрения кибернетики в каждом биоценозе, т.е. совокупности организмов, которые населяют определенный участок суши или водоема, есть управляющая и управляемая подсистемы. Роль управляющей подсистемы выполняют консументы. Они не разрешают растениям слишком разрастаться, поедая «лишнюю» биомассу. За травоядными «следят» хищники, предотвращая их чрезмерное размножение и уничтожение растительности. Управляющей подсистемой для этих хищников являются хищники второго рода и паразиты, которыми «руководят» сверхпаразиты, и т.д. Кроме энергетических, пищевых и химических связей, огромную роль в биосфере играют информационные связи. Живые существа Земли освоили все виды информации - зрительную, звуковую, химическую, электромагнитную. Информационные сигналы содержат важные сведения в закодированной форме. Они расшифровываются и учитываются живыми организмами. Эти процессы в них осуществляются путем общего энергоинформационного обмена. Живые системы могут также обрабатывать, накапливать и использовать информацию в отдельности от энергии. Российский биолог О. Пресман определяет биосферу как систему, в которой вещественно-энергетические взаимодействия подчинены взаимодействиям информационным. Примером информационных связей в биосфере может быть явление снижения интенсивности размножения животных в случае чрезмерной плотности популяции. Не всегда это обусловлено недостатком корма или загрязнением среды вредными отходами жизнедеятельности. Результаты опытов свидетельствуют, что уменьшение потомства у млекопитающих или снижение яйценоскости у птиц происходит вследствие «перенаселения» территории. Структурно биосфера представляет собой совокупность функционально связанных и иерархически соподчиненных единиц - экосистем. Такой взгляд на биосферу вытекает из принципа системности - основного принципа современного научного знания. Именно потому что отдельные составляющие - экосистемы - функциональны, а не хаотично структурны, возникает системная целостность. В связи с этим одно из наиболее катастрофичных последствий деятельности человека связано с разрушением структуры экосистем и, следовательно, с разрушением структуры биосферы в целом |