Раздел 1. Основы экологических знаний. Тема 1 Основы Экологии
 Скачать 1.16 Mb.
|
|
Содержание Тема 1.1 Основы Экологии Тема 1.2 Биосфера – глобальная экосистема Тема 1.3 Экосистемы. Функционирование экосистемы Тема 1.1 Основы экологии Первый этап – зарождение и становление экологии как науки (до 60-х гг. XIX в.). На этом этапе накапливались данные о взаимосвязи живых организмов со средой их обитания, делались первые научные обобщения. В XVII–XVIII вв. экологические сведения составляли значительную долю во многих биологических описаниях. Элементы экологического подхода содержались в исследованиях многих ученых, например, шведского естествоиспытателя К. Линнея. В этот же период Ж.-Б. Ламарк (1744–1829) и Т. Мальтус (1766–1834) впервые предупреждают человечество о возможных негативных последствиях воздействия человека на природу. Второй этап – оформление экологии в самостоятельную отрасль знаний (после 60-х гг. XIX в.). Начало этапа ознаменовалось выходом работ русских ученых К.Ф. Рулье (1814–1858), Н.А. Северцова (1827–1885), В.В. Докучаева (1846–1903), впервые обосновавших ряд принципов и понятий экологии. В конце 70-х гг. XIX в. немецкий гидробиолог К. Мёбиус (1877) вводит важнейшее понятие о биоценозе как о закономерном сочетании организмов в определенных условиях среды. Неоценимый вклад в развитие основ экологии внес Ч. Дарвин (1809–1882), вскрывший основные факторы эволюции органического мира. То, что Ч. Дарвин называл «борьбой за существование», с эволюционных позиций можно рассматривать как взаимоотношения живых существ с внешней абиотической средой и между собой, т.е. с биотической средой. Немецкий биолог-эволюционист Э. Геккель (1834–1919) первый предположил, что это самостоятельная и очень важная область биологии, и назвал ее экологией (1866). Третий этап (50-е гг. XX в. – до настоящего времени) – превращение экологии в комплексную науку, включающую в себя науки об охране природной и окружающей человека среды. Учение В.И. Вернадского о глобальной экосистеме – биосфере. Экология как предмет. Специфика, цели и задачи дисциплины Экология – это наука о взаимоотношениях живых существ между собой и с окружающей их неорганической природой, о связях в надорганизменных системах, о структуре и функционировании этих систем. Экология приобрела статус науки об организации и функционировании надорганизменных биологических систем всех уровней. Этот процесс проникновения идей и проблем экологии в другие области знания получил название экологизация. Экологизация отвечает потребностям общества в объединении науки и практики для предотвращения экологической катастрофы. К числу главных задач этой науки относится изучение антропогенных изменений в среде обитания и обоснование методов сохранения и улучшения этой среды в интересах человечества. Важнейшее значение приобретает прогнозирование экологической ситуации в будущем. Ниже приведены основные задачи экологии: создание научной основы рациональной эксплуатации биологических ресурсов, прогнозирование изменений природы под влиянием деятельности человека, сохранение среды обитания человека; экологическая индикация при определении свойств различных компонентов и элементов ландшафта, индикация загрязнения природной среды; восстановление нарушенных природных систем; переход от промысла к хозяйству и регуляция численности популяций животных, растений, микроорганизмов. Наряду с этими задачами выделяются научно-прикладные задачи: оптимизация технологических, инженерных и проектно-конструкторских решений, обеспечивающих минимальный ущерб окружающей среде и здоровью человека; прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий действующих, реконструируемых и проектируемых предприятий (процессов) для окружающей среды, человека, животных, растений, лесного и рыбного хозяйства; своевременное выявление и корректировка конкретных технологических процессов, наносящих ущерб окружающей среде, угрожающих здоровью человека, отрицательно влияющих на природные и антропогенные системы. Главным объектом изучения экологии является экосистема. Обычно под экосистемой понимают любое сообщество живых организмов в совокупности со средой обитания. Понятие о среде обитания Среда обитания (экологическая ниша) – совокупность конкретных абиотических и биотических условий, в которых обитает данная особь, популяция или вид, часть природы, окружающая живые организмы и оказывающая на них прямое или косвенное воздействие. Среда обитания (экологическая ниша), часто перекрывается с термином «ареал» – географическое распространение биологического вида. Пример – бурый медведь. Среда обитания (экологическая ниша) – леса. Ареал – везде, где есть такие леса (Европа, Азия, Северная Америка). Виды среды обитания На нашей планете живые организмы освоили четыре среды обитания: водную, наземно-воздушную, почвенную и организменную. Первой была освоена воднаясреда. Затем появились паразиты и симбионты, использующие организменнуюсреду обитания. Далее, после выхода жизни на сушу, живые организмы населили наземно-воздушную среду, а одновременно с этим создали и заселили почву. Под почвенной средойобитания подразумевают не только собственно почву, но и горные породы поверхностной части литосферы. Классификация видов среды обитания представлена на рисунке 1.1.  Рисунок 1.1 – Виды среды обитания Характеристика основных сред обитания представлена в Таблице 1.1. Таблица 1.1 – Сравнительная характеристика сред обитания и адаптаций к ним живых организмов
Экологические факторы и их классификация Экологические факторы – это любые элементы или условия среды, которые заставляют те или иные организмы приспосабливаться к ним и адаптироваться. Факторы среды разнообразны. Они могут быть необходимы или, наоборот, вредны для живых существ, способствовать или препятствовать выживанию и размножению. Экологические факторы имеют разную природу и специфику действий и делятся на абиотические и биотические. Существует всего три группы экологических факторов: 1) Биотические – различные свойства живой природы. Они способны вызывать приспособительные реакции как у растений (фитогенные), так и у животных (зоогенные) и грибов (микогенные). Пример: взаимоотношение растений и животных. 2) Абиотические – это компоненты неживой природы: геологические (движения ледников, вулканическая активность, радиация и др.), климатические (температура, свет, ветер, влажность, давление и т. д.), почвенные (структура, плотность и состав почвы), а также гидрологические факторы (вода, давление, соленость, течение). Пример: естественный радиационный фон, температура. 3) Антропогенные – это виды человеческой деятельности. Человек вызывает очень серьезные сдвиги в биогеоценозах. Причем для одних видов это становится благоприятным, а для других нет. Пример: естественный радиационный фон, шум автотранспорта, электромагнитное излучение. Реакция организма на изменение уровня экологических факторов: адаптация и приспособление (теория Ч. Дарвина) Согласно теории Ч. Дарвина, организмы изменчивы. Невозможно найти двух абсолютно одинаковых особей одного вида. Эти различия частично передаются по наследству. Каждый вид и каждая популяция насыщены разнообразными мутациями, то есть изменениями в строении организмов, вызванными соответствующими изменениями в хромосомах, которые происходят под влиянием факторов внешней или внутренней среды. Эти изменения в признаках организма имеют скачкообразный характер и передаются по наследству. В подавляющем большинстве эти мутации оказывается, как правило, неблагоприятными, поэтому практически все они рецессивные, то есть их проявления исчезают через определенное количество поколений. Однако вся эта совокупность изменений представляет собой резерв наследственности, генофонд вида или популяции, который может быть мобилизован через естественный отбор при изменении условий существования популяций. Приспособление организмов к факторам среды вызывается не только эволюционными перестройками, происходящими в биосфере. Адаптация (от лат. адаптацио-приспособление) – это эволюционно возникшее приспособление организмов среды, выражающееся в изменении их внешних и внутренних особенностей. Виды адаптации: Морфологическая адаптация – это адаптация, проявляющаяся в приспособлении к быстрому плаванию у водных животных, к выживанию в условиях высоких температур и дефицита влаги – у кактусов и иных суккулентов. Физиологические адаптации заключаются в особенностях ферментативного набора в пищеварительном тракте животных, определяемого составом пищи. Например, обитатели сухих пустынь способны обеспечивать потребность во влаге за счет биохимического окисления жиров. Поведенческие (этологические) адаптациипроявляются в самых разнообразных формах. Например, существуют формы приспособительного поведения животных, направленные на обеспечение оптимального теплообмена с окружающей средой – спячка (анабиоз). Основные законы экологии Как любая наука, экология выявляет закономерности протекания изучаемых процессов и формирует их в виде кратких логических и проверенных практикой положений – законов. Рассмотрим ряд основных законов экологии: Закон незаменимости биосферы: биосфера – это единственная система, обеспечивающая устойчивость среды обитания при любых возникающих возмущениях. Закон биогенной миграции атомов (В. И. Вернадский): миграция химических элементов земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется при непосредственном участии живого вещества – биогенная миграция. Закон физико-химического единства живого вещества: общебиосферный закон – живое вещество физико-химически едино; при всей разнокачественности живых организмов они настолько физико-химически сходны, что вредное для одних не безразлично для других (например, загрязнители). Принцип Реди: живое происходит только от живого, между живым и неживым веществом существует непроходимая граница, хотя и имеется постоянное взаимодействие. Закон единства «организм – среда»: жизнь развивается в результате постоянного обмена веществом и информацией на базе потока энергии в совокупном единстве среды и населяющих ее организмов. Закон необратимости эволюции Л. Долло: организм (популяция, вид) не может вернуться к прежнему состоянию. Закон (принцип) исключения Гаузе: два вида не могут существовать в одной и той же местности, если их экологические потребности идентичны, т.е. если они занимают одну и ту же экологическую нишу. «Законы» экологии Б. Коммонера (1974 г.): 1) О всеобщей связи вещей и явлений в природе и человеческом обществе («Всё связано со всем»). Всё живое на Земле подчинено потоку солнечной энергии, его ритмам. Глобальные круговороты веществ, ветры, океанские течения, реки, миграции птиц и рыб, перенос семян и спор – всё это связывает между собой удалённые друг от друга регионы планеты и их природные комплексы, придаёт биосфере признаки единой коммуникативной системы. 2) О законах сохранения. («Всё должно куда-то деваться»). В отличие от человеческого производства живая природа в целом безотходна. Опавшие листья, трупы животных становятся пищей для других организмов: червей, насекомых и т.д. Грибы, бактерии разлагают органические вещества до неорганических, и те в свою очередь используются растениями. В целом для биосферы соблюдается баланс масс и равенство скоростей синтеза и распада. Это замкнутость круговорота веществ в биосфере. 3) О цене развития. («Ничто не даётся даром»). Большие системы способны к эволюции в сторону усложнения организации. Их развитие происходит не только за счёт окружающей среды, но и собственных ресурсов. Любое новое приобретение в системе сопровождается какой-либо утратой и возникновением новых проблем. 4) О главном критерии эволюционного отбора («Природа знает лучше»). Возможность и право «знания» природой лучших вариантов развития выработано на протяжении миллиардов лет в чередовании актов отбора, проб и ошибок, в тщательной подгонке каждого нового вещества, каждой молекулы ко всему комплексу других веществ. 5) Закон ограниченности ресурсов («На всех не хватит»). В природе действует правило максимального «давления жизни»: организмы размножаются с интенсивностью, обеспечивающей максимальное их число. Если бы не существовало ограничений размножения, то произошёл бы «биологический взрыв»: за считанные часы масса живого вещества превысила бы массу земного шара. Этого не происходит из-за ограничений по веществу: масса питательных веществ на Земле конечна и ограничена. Её не хватает для всех делящихся клеток, спор, семян, яиц, личинок и т.д. Это означает, что общее количество живого вещества всех организмов планеты мало изменяется. Тема 1.2 Биосфера – глобальная экосистемаБиосфера – глобальная экосистема, совокупность всех экосистем планеты. По современным представлениям, биосфера – это особая оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. Учение о биосфере В.И. Вернадского. Структура, границы и основные свойства биосферы Особое значение для современного понимания экологических проблем приобретает учение о биосфере, основоположником которого является В.И. Вернадский (1863–1945). Учение представляет собой обобщение естественнонаучных знаний, которое вобрало в себя эволюционные взгляды Ч. Дарвина, периодический закон Д.И. Менделеева, теорию единства пространства и времени А. Энштейна, идеи о неразрывной связи живой и неживой природы. Развитию этого учения способствовало развитие экологии и, прежде всего глобальной экологии, где биосфера является основополагающим понятием. Суть этого учения состоит в том, биосфера рассматривается как своеобразная оболочка Земли, развитие которой в значительной мере определяется деятельностью живых организмов. Структура биосферы Структурно биосфера охватывает часть воздушной оболочки (атмосферы), водную оболочку (гидросферу) и верхнюю часть литосферы. Она состоит из нескольких взаимосвязанных типов вещества: живое вещество – совокупность всех живых организмов (животные, растения, грибы, микроорганизмы, водоросли); биогенное вещество – органоминеральные продукты, созданные в результате жизнедеятельности организмов (нефть, каменный уголь, газ, торф, известняки, минеральные породы, кислород и др.); косное вещество, образованное без участия живых организмов (горные вулканические породы, вода, земная кора, кроме самого верхнего слоя – почвы, а также продукты захоронения органического вещества, минералы и вещества, поступающие в биосферу из-за её пределов – космоса, глубин планеты); биокосное вещество, созданное совместно живыми организмами и неорганическими процессами (почва, ил). Границы распространения живых организмов в биосфере, показанные на рис.1.2, определяются абиотическими факторами: количеством осадков, температурой, давлением, содержанием кислорода, уровнем ультрафиолетового излучения и др. Там, где эти факторы сильно отклоняются от оптимальных значений, жизнь становится невозможной (высокогорье, полярные зоны, пустыни, вулканы, пещеры).  Рисунок 1.2 – Границы биосферы Таким образом, признаки жизни в атмосфере обнаруживаются вплоть до высоты 20 км (уровень озонового слоя), где можно встретить споры, бактерий, мельчайших членистоногих. Однако полноценные экосистемы располагаются вблизи поверхности планеты (в горах – до высоты 3-5 км). Водная оболочка Землизаселена практически полностью; живые организмы встречаются даже на дне Марианской впадины (глубина более 11 км). Вместе с тем основная часть биомассы сосредоточена в верхних слоях гидросферы, где возможно существование фотосинтетиков. Жизнь в литосферепочти полностью сосредоточена в почве, толщина которой может достигать нескольких метров. Однако бактерии в месторождениях полезных ископаемых (например, нефти) обнаружены на глубине до 3-4 км. Ноосфера – сфера разума; сфера взаимодействия общества и природы, в границах которой разумная человеческая деятельность становится определяющим фактором развития. Вернадский впервые показал, что живая и неживая природа Земли тесно взаимодействуют и составляют единую систему. Поддержание естественных круговоротов биогенных веществ в биосфере является необходимым условием сохранения ее равновесного состояния. Нарушение их в результате вмешательства человека может привести к неустойчивому состоянию биосферы в целом, что может поставить под угрозу и существование самого человека на Земле. Учение Вернадского является научной основой для исследования природных объектов и комплексного подхода при организации современного производства. Тема 1.3 Экосистемы. Функционирование экосистемПонятие об экосистемах и биоценозах и их границах Экосистема – биологическая система (биогеоценоз), состоящая из сообщества живых организмов (биоценоз), среды их обитания (биотоп), системы связей, осуществляющей обмен веществом и энергией между ними. Особая экосистема – биогеоценоз – участок земной поверхности с однородными природными явлениями. Составными частями биогеоценоза являются климатоп, эдафотоп, гидротоп (биотоп), а также фитоценоз, зооценоз и микробоценоз (биоценоз). Биогеоценоз – это система, включающая сообщество живых организмов и тесно связанную с ним совокупность абиотических факторов среды в пределах одной территории. Таким образом, экосистема = сообщество = биогеоценоз. Примеры: большие: океан, тайга, маленькие: лужа, болотная кочка. Общая схема экологической системы представлена на рисунке 1.3.  Рисунок 1.3 – Схема биогеценоза Правила функционирования экосистем Живые организмы в биоценозах тесно связаны не только друг с другом, но и с неживой природой через вещество и энергию. Протекающие через живые организмы потоки вещества и энергии в процессе обмена веществ весьма велики. Человек, например, за свою жизнь потребляет десятки тонн пищи и воды, тысячи кубометров воздуха. На их сложном и постоянном взаимодействии основаны законы функционирования экосистем: Получение ресурсов и избавление от отходов происходят в рамках круговорота всех элементов. Экосистемы существуют за счет незагрязняющей среду и практически вечной солнечной энергии. Компоненты и состав экосистем Совокупность организмов (растений, животных, микробов) называют биотой экосистемы. Пути взаимодействия разных категорий организмов – это ее биотическая структура. Организмы, входящие в экосистему, различаются по способу питания: 1.Автотрофы (самопитающиеся) – организмы, образующие органическое вещество своего тела из неорганических веществ – углекислого газа и воды с помощью фотосинтеза или хемосинтеза. Фотосинтез осуществляют зелёные растения с помощью пигмента хлорофилла. Автотрофы это производители продукции экосистем или продуценты. 2. Гетеротрофы (питающиеся другими) – организмы, потребляющие готовое органическое вещество других организмов и продуктов их жизнедеятельности. Это животные, грибы, большая часть бактерий. Они потребители и деструкторы (разрушители). В зависимости от источников питания гетеротрофов делят на консументов – потребителей живого органического вещества других организмов (растительноядных и плотоядных), сапрофагов – питающихся мёртвым органическим веществом и редуцентов – разлагающих органическое вещество до углекислого газа, воды и минеральных элементов. Все группы организмов тесно взаимодействуют между собой, образуя потоки вещества и энергии. Их совместная жизнедеятельность поддерживает структуру экосистемы, обеспечивает её самоочищение, что представлено на рис.1.4.  Рисунок 1.4 – Взаимодействие организмов в экосистеме Цепи питания, трофические уровни Питание – основной способ движения веществ и энергии. Главным источником энергии для подавляющего большинства живых организмов на Земле является Солнце. Синтезировать органические вещества могут автотрофные организмы, растения. Готовые органические вещества используют для получения и накопление энергии гетеротрофы, или консументы. К гетеротрофам относятся травоядные и плотоядные животные. Пищевые цепи – перенос вещества и энергии от одной функциональной группы к другой. Правило экологической пирамиды – закономерность, согласно которой количество растительного вещества, служащего основой цепи питания, примерно в 10 раз больше, чем масса растительноядных животных, и каждый последующий пищевой уровень также имеет массу, в 10 раз меньшую. Функциональные группы: Продуценты – неорганика à органика Консументы – органика à органика (1, 2, 3… порядка – травоядные – хищники, питающиеся травоядными – хищники, питающиеся хищниками) Например, группами животных, которые проявляют себя как консументы 1 порядка, могут быть: землеройка, лось, тетерев, полевка, слон, кабан, тетерев Редуценты – органика à неорганика. Смена биоценозов (экологическая сукцессия) Экологическая система, как и живые организмы, с течением времени меняется, т.е. проявляет способность к развитию. Последовательная смена биоценозов, преемственно возникающих на одной и той же территории в результате влияния природных факторов или воздействия человека, называется сукцессией (от лат. succesio – следую, преемственность). Сукцессия происходит под воздействием сообщества живых организмов, вызывающих изменения в окружающей среде. Экологическую сукцессию можно определить как процесс последовательной и закономерной смены биогеоценозов. Рассмотрим в качестве примера развитие и смену озерного биогеоценоза, представленную на рис. 1.5.  Рисунок 1.5 – Смена озерного биогеоценоза Можно сделать вывод, что процесс исчезновения озера происходит по схеме: а – озеро; б – по мере увеличения в озере осадочных материалов оно мелеет; в – в дальнейшем озеро превращается в болото и покрывается растительностью; г – в конце концов это место превращается в сушу. Обычно этот процесс занимает несколько тысяч лет даже для мелководных озер. Сукцессия происходит в силу действия экологического принципа сукцессионного замещения: природные биотические сообщества последовательно формируют закономерный ряд экосистем, ведущих к наиболее устойчивому в данных условиях к состоянию климакса. Концепция климакса как устойчивого состояния экосистемы Климакс – (от греч. klimax – лестница) стабильное состояние сообщества (экосистемы), в котором климаксовое сообщество (экосистема) поддерживает само себя неопределенно долго, все внутренние его компоненты уравновешены друг с другом. Климакс – «заключительная» фаза биогеоценотической сукцессии, находящаяся в наиболее полном единстве с биотом и климатом данной местности. Климакс выражается, прежде всего, в формировании относительно устойчивого, коренного фитоценоза. Классическим примером образования климакса является процесс образования елового леса, схема которого представлена на рис.1.6.  Рисунок 1.6 – Процесс образования елового леса Еловый лес в своем развитии проходит несколько этапов. Первыми на бывшей пашне появляются светолюбивые и быстрорастущие травянистые растения («трава») и лиственные древесные породы: березы, осина, ольха (семена этих деревьев легко разносятся ветром). Наиболее стойкие представители успешно заселяют и утверждаются на данной территории. Благодаря их жизнедеятельности изменяется среда. Разросшиеся лиственные постоянно начинают угнетать травянистые растения. По прошествии 10-20 лет появится возможность для укоренения и прорастания всходов хвойных деревьев. Наиболее благоприятные условия для елей создаются только после смыкания крон берез, по прошествии 30-50 лет. Постепенно формируется смешанный лес. Он существует сравнительно недолго, так как светолюбивые березы не выносят затемнения и под пологом елей их возобновления не происходит. Устойчивый еловый лес на заброшенной пашне образуется примерно через 80-120 лет после первых всходов березы. В процессе развития березняков, ольховиков, а затем и елового леса в биоценоз включаются все новые виды растений и животных. Еловый лес является прекрасной пищевой базой для некоторых видов насекомых, обеспечивает им экологическую нишу и при определенных климатических условиях чрезмерное размножение этих насекомых может привести к распаду популяции хвойной породы и ее замене популяциями лиственных пород (осины, березы, ивы и др.). Задания для самоконтроля по Разделу 1Внимание! Задания для самоконтроля - это вопросы, которые помогут вам оценить степень освоения лекционного материала по разделу. В Дополнительном разделе приведены ответы на задания для самоконтроля, чтобы вы могли проверить правильность своих ответов. Эти задания не надо присылать на проверку! Ответьте на вопросы: 1. Перечислите этапы развития экологии как науки. 2. Дайте определение понятию «среда обитания». 3. Из каких взаимосвязанных типов вещества состоит биосфера? 4. Перечислите виды среды обитания. 5. Что такое биогеоценоз? 6. Что означает термин «сукцессия»? |