Введение в экологию

Раздел 1. Введение в экологию 1. 2. 3. 4. План Этапы развития экологии. Предмет и объект изучения экологии. Понятие о биосфере. Методы экологических исследований. Законы экологии В.И. Вернадского и Б. Коммонера. 1. Этапы развития 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 и делались первые научные обобщения. В XVII-XVIII вв. экологические сведения составляли значительную долю во многих биологических описаниях. Элементы экологического подхода содержались в из(с)следованиях рус(с) учёных И.И. Лепехина, С.П. Крашенинникова, М.В. Ломоносова, французского учёного Ж. Бюффона, шведского естествоиспытателя К. Линнея и др. Второй этап - оформление экологии в самостоятельную отрасль знаний (с 60-х гг. XIX в. до середины XX в.). Начало этапа ознаменовалось выходом работ рус(с)ких учёных К.Ф. Рулье (1814-1858), Н.А. Северцова (1827-1885), В.В. Докучаева (1846-1903), впервые обосновавших ряд принципов и понятий экологии, которые не утратили своего значения и до настоящего времени. В конце XIX в. немецкий гидробиолог К. Мёбиус (1877) вводит важнейшие понятие о биоценозе как о закономерном сочетании организмов в определённых условиях среды. Неоценимый вклад в развитие основ экологии внёс Чарльз Дарвин (18091882), вскрывший основные факторы эволюции органического мира, что дало возможность утверждать, что борьба за существование есть взаимоотношения живых существ с внешней абиотической средой и между собой. Впервые понятие «экология» было введено в научный оборот в 1866 году немецким зоологом Эрнестом Геккелем в книге «Общая морфология организмов». Экология – это наука, изучающая условия существования живых организмов и взаимосвязи между организмами и средой обитания. Изначально экология развивалась как составная часть биологической науки, в тесной связи с другими естественными науками – химией, физикой, геологией, географией, почвоведением и др. Как самостоятельная наука экология окончательно оформилась в начале XX столетия. Крупнейший рус(с)кий учёный ХХ в. Владимир Иванович Вернадский создаёт фундаментальное учение о биосфере. Вернадский считал биосферу глобальной системой нашей планеты, в которой основной ход геохимических и энергетических процессов определяется живым существом. Он раз(с)пространил понятие биосфера не только на сами живые организмы, но и на среду их обитания. В соответствии с учением Вернадского биосфера состоит из: живого вещества, образованного совокупностью организмов или биомассы современных живых организмов; биогенное вещество, которое создаётся и перерабатывается в процессе жизнедеятельности организмов; косное вещество, которое образуется без участия живых организмов (горные породы, минералы, вода и др.). Биосфера по Вернадскому занимает пространство озонового слоя (высота 20 км) до глубины 4 км подземной поверхности (11 600 км). Места наибольшего скопления жизни Вернадский назвал плёнкой жизни. Вообще в 20-40-е годы уровень экологии был самым высоким в мире, особенно в области фундаментальных разработок. В этот период в нашей стране работали такие выдающиеся учёные, как академики В.И. Вернадский и В.Н. Сукачёв, а также крупные экологи В.В. Станчинский, В.Н. Беклемишев, А.Н. Формозов, Д.Н. Кашкаров и др. Во второй половине ХХ в. связи с прогрессирующим загрязнением окружающей среды и резким усилением воздействия человека на природу экология приобретает особое значение. Третий этап развития экологии (середина 50-х ХХ в. - по настоящее время) – превращение экологии в комплексную науку, включающую в себя такие науки как география, геология, химия, физика, социология, экономика и др. об охране природной и окружающей человека среды. Современный период развития экологии в мире связан с именами таких крупных зарубежных учёных, как Ю. Одум, Дж. М. Андерсен, Э. Пианка, М. Бигон, А. Швейцер и др. Среди отечественных учёных следует выделить И.П. Герасимова, А.М. Гилярова, В.Г. Горшкова, Ю.Н. Куражсковского, Н.П. Наумова, Н.Ф. Реймерса и многих других. Предметом экологии является структура связей между организмами и - экосистемы2 средой обитания1. Главный объект изучения экологии (природные комплексы). В область изучения экологии входит и изучение отдельных видов организмов, их популяций, т.е. совокупность особей одного вида и биосферы3 в целом. Главная теоретическая и прикладная задача экологии: вскрыть закономерности процессов, происходящих в природе и определить основные принципы рационального взаимодействия человека и природы. Для общей экологии является изучение выживания живых существ в среде обитания и задачи перед ними стоят биологического свойства – изучить закономерности приспособления организмов и их сообществ к среде обитания, саморегуляцию, устойчивость экосистем и биосферы в целом. 1 Среда обитания – часть природы, окружающая живые организмы, и оказывающая на них прямое или косвенное воздействие. 2 Экосистема – баланс между всеми формами и типами живых организмов и их средой обитания. 3 Биосфера – экосистема планеты, включающая все живые организмы, находящиеся во взаимодействии с физической средой как единое целое, чтобы поддерживать экологическое равновесие планеты. 2 В последнее время роль и значение биосферы как объекта экологического разбора непрерывно возрастают. Особенно большое значение в современной экологии уделяется проблемам взаимодействия человека со средой обитания. Выдвижение на первый план этих разделов в экологической науке связано с резким усилением отрицательного влияния человека на природную среду, возросшей ролью экономических, социальных и нравственных аспектов в связи с отрицательными последствиями научно-технического прогресса. Таким образом, современная экология не ограничивается только рамками биологической дисциплины, трактующей отношения главным образом животных и растений, она превращается в междисциплинарную науку, изучающую сложнейшие проблемы взаимодействия человека со средой обитания. Актуальность и многогранность этой проблемы, вызванной обострением экологической обстановки в масштабах всей планеты, привела к «экологизации» многих естественных, технических и гуманитарных наук. 2. Понятие о биосфере. Биосфера – это наружная оболочка планеты и область распространения жизни, которая включает все живые организмы и все элементы неживой природы. Термин биосфера был введён в использование австрийским учёнымгеологом Эдуардом Зюссом в 1875 году. Первое целостное учение о биосфере было создано Владимиром Ивановичем Вернадским, который в 1926 году опубликовал свой труд «Биосфера». Вернадский разработал учение о биосфере как глобальной системе нашей планеты, в которой основной ход геохимических и энергетических процессов определяется живым существом. Он распространил понятие биосфера не только на сами живые организмы, но и на среду их обитания. Биосфера состоит: живое вещество — вся совокупность тел живых организмов, населяющих Землю. Живые организмы населяют земную поверхность очень неравномерно. Их распространение зависит от географической широты; биогенное вещество — вещество, создаваемое и перерабатываемое живым организмом. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через свои органы, ткани, клетки, кровь большую часть атмосферы, весь объём мирового океана, огромную массу минеральных веществ; косное вещество — продукты, образующиеся без участия живых организмов; биокосное вещество — вещество, которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя динамически равновесные системы тех и других. Таковы почва, ил, кора выветривания и т. д. Организмы в них играют ведущую роль; Вещество, находящееся в радиоактивном распаде; рассеянные атомы, непрерывно создающиеся из всякого рода земного вещества под влиянием космических излучений; вещество космического происхождения. Биосфера занимает пространство от озонового слоя (высота от 20 км) – встречаются споры растений, грибов до глубины 11,6 км. Места наибольшей концентрации жизни называется плёнкой жизни. 3 Условия, определяющие область жизни на планете: - достаточное количество жидкой воды; - достаточное количество кислорода и углекислого газа; - благоприятная температура; не слишком высокая для свёртывания белка, не слишком низкая для функционирования ферментов; - наличие солей в воде; -наличие минеральных веществ. Организация жизни биосферы В процессе развития планеты и формирования экологической системы сформировались упорядоченные уровни организации живой материи: -молекулярный уровень: является основой любого живого организма, состоящий из атомов и молекул органических и неорганических веществ; -клеточный уровень: клетка является основной структурной и функциональной единицей живого организма; -организменный уровень: представляет собой сочетание клеток различных типов, представляющих жёсткое объединение; -популяционно-видовой уровень: представляет объединение (популяция) особей одного вида, с целью сохранения его в экосистеме. - экосистемный уровень: представляет сочетание популяций различных видов на определённой территории; -биосферный уровень. Сравнение масс оболочек Земли В.И. Вернадский подчёркивал, что живое вещество, это самая деятельная материя во вселенной, которая выполняет огромную геохимическую работу в биосфере, полностью преобразовывает верхние слои оболочек планеты за время своего существования. Химический состав живого вещества Основные элементы – биофильные атомы этих молекул в живых организмах создают сложные молекулы в сочетании с водой и минеральными солями. Эти молекулы представлены углеводородами, липидами, белками. Окружающий нас мир живых организмов представляет собой сочетание различных биологических систем, разные структуры и разного функционального уровня. Общепланетарные функции живого вещества 1. Энергетическая – связана с накоплением энергии в процессе фотосинтеза растений и передаче её остальным организмам по цепям питания. 2. Газовая – живые вещества постоянно обмениваются кислородом и углекислым газом в процессе фотосинтеза растений и поддерживают определённый газовый состав среды обитания. 3. Накопительная – многие организмы обладают способностью накапливать в себе определённые элементы, даже, несмотря на не значительное количество их в среде. 4 4. Окислительно-восстановительная функция заключается в химическом превращении веществ. Живая материя способна осуществлять окислительные реакции. 5. Разрушительная. Благодаря этой функции, протекают процессы в материи, связанные с разложением остатков мёртвых организмов и их минерализация. 3. Методы экологических исследований. Основные методы экологических исследований: полевые, экспериментальные исследования с использованием экосистемного подхода, изучения сообществ (синэкология), популяционного подхода (демэкология), анализ местообитаний, эволюционного и исторических подходов. Экосистемный подход. При экосистемном подходе в центре внимания исследователя-эколога являются поток энергии и круговорот веществ между биотическим и абиотическим компонентами экосферы. Наибольший интерес представляет установление функциональных связей, таких, как цепи питания, живых организмов между собой и с окружающей средой. Все связи оцениваются по их воздействию на установленный объект. Экосистемный подход выдвигает на первый план общность организации всех сообществ, независимо от местообитания и систематического положения входящих в них организмов. Это подтверждается простым сравнением водной и наземной экосистем. При резком различии в среде обитания и в образующих систему видах здесь четко просматривается сходство структуры и функциональных единиц этих двух экосистем. В экосистемном подходе находит приложение концепция саморегуляции (гомеостаза), из которой становится ясно, что нарушение регуляторных механизмов, например в результате загрязнения среды, может привести к биологическому дисбалансу. Экосистемный подход важен при разработке стратегии развития сельского хозяйства. Изучение сообществ. При изучении сообществ исследуют растения, животных и микроорганизмы, которые обитают в различных биотических единицах, таких, как лес, луг, пустошь. Основное внимание уделяется определению и описанию видов, изучению факторов, ограничивающих их распространение. Одним из аспектов подобных исследований является получение научных данных о сукцессиях и климаксовых сообществах, что весьма важно для решения вопросов рационального использования природных ресурсов. Популяционный подход. В современных популяционных исследованиях используются математические модели роста, самоподдержания и уменьшения численности тех или иных видов. Построение моделей связано с такими понятиями, как рождаемость, выживаемость и смертность. Популяционный подход обеспечивает теоретическую базу для понимания вспышек численности вредителей и паразитов, имеющих значение для медицины и сельского хозяйства, дает возможность борьбы с ними применением биологических методов, например использование хищников и паразитов вредителя, позволяет оценить критическую численность вида, необходимую для его выживания. Это 5 особенно важно при организации заповедников, ведении сельского и охотничьего хозяйства, а в теоретическом плане — при изучении вопросов эволюционной и исторической экологии. Изучение местообитаний. Анализ местообитания особо выделяют в связи с удобством проведения исследований. Он широко распространен в полевых исследованиях, так как местообитания легко поддаются классификации. Здесь изучают биотические компоненты экосистемы, основные факторы окружающей среды — эдафические, топографические и климатические, такие, как почва, вода, влажность, температура, свет и ветер. Анализ местообитаний имеет тесные связи с экосистемным подходом и изучением сообществ. Эволюционный подход. Важный материал о характере вероятных будущих изменений мы можем получить, изучая, как экосистемы, сообщества, популяции и местообитания менялись во времени. Эволюционная экология рассматривает изменения, связанные с развитием жизни на Земле, позволяет понять основные закономерности, которые действовали^ эко-сфере до того момента, когда важным экологическим фактором, влияющим на большинство организмов и на физическую среду, стала деятельность человека. Эволюционный подход в исследованиях позволяет реконструировать экосистемы прошлого, используя палеонтологические данные (анализ пыльцы, ископаемые остатки и т. д.) и сведения о современных экосистемах. Исторический подход. Историческая экология изучает изменения, связанные с развитием человеческой цивилизации и технологии, их возрастающее влияние на природу, охватывая период от неолита до наших дней. Используя исторические подходы, можно выявлять долговременные экологические тенденции, которые установить только путем изучения современных экосистем невозможно. Таковы, например, изменения климата, конвергентная эволюция, расселение видов растений и животных. Исторический подход дает больше новых теоретических идей в сравнении с анализом местообитаний. 4. Законы экологии В.И. Вернадского и Б. Коммонера. Закон биогенной миграции атомов В.И. Вернадского имеет важное теоретическое и практическое значение. Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом или осуществляется при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же она протекает в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым веществом, как тем, которое в настоящее время населяет биосферу, так и тем, которое действовало на Земле в течение всей геологической истории. Согласно закону биогенной миграции атомов, понимание общих химических процессов, протекавших и протекающих на поверхности суши, в атмосфере и заселенных организмами глубинах литосферы и вод, а также геологических слоях, сложенных прошлой деятельностью организмов, невозможно без учета биотических факторов, в том числе эволюционных. 6 Барри Коммонер – широко известный американский биолог и эколог (1917-2012) родился в Бруклине, США, 28.05.1917 года. Барри Коммонер в 1974 году выдвинул ряд положений – законы экологии. 1. Всё связано со всем. Он отражает существование сложнейших взаимодействий в биосфере и предостерегает человека от не обдуманных решений. Также называется законом динамического внутреннего равновесия. Этот принцип гласит, что даже небольшие изменения, внесенные человеком в окружающий его мир, со временем перерастают в катастрофы. 2. Всё должно куда-то деваться. В естественном природном состоянии каждое вещество имеет собственный круговорот «жизни». В окружающей среде синтезируется только то, что в дальнейшем может исчезнуть. Позволяет более глубоко взглянуть на проблему отходов. 3. Природа знает лучше. Суть закона заключается в том, что человеку необходимо крайне осторожно обращаться с природными экосистемами. Биосфера состоит из миллионов разных существ. Она делится на множество зон. Флора и фауна мира развивались на протяжении миллиардов лет. Если человек будет вмешиваться в эти процессы, даже желая улучшить обстановку вокруг себя, он только нанесет дополнительный вред. 4. Ничто не даётся даром. У четвертого закона есть яркий пример. Это сельское хозяйство. При ежегодном выращивании овощей на одном и том же месте уровень полезных веществ в почве (фосфор, азот, калий и т. д.) снижается. С каждым разом урожай становится все меньше и меньше. В конце концов, человеку приходится или покинуть этот участок или обработать его удобрениями. Лекция подготовлена на основе следующих материалов: 1. Степановских А.С. Экология. Учебник для вузов. — М.: юнити-дана, 2001. - 703 с. 2. Степановских А.С. Общая экология [Электронный ресурс]: учебник для вузов/ Степановских А.С.— Электрон. текстовые данные.— Москва: ЮНИТИ-ДАНА, 2012.— 687 c. — Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/8105.html. — ЭБС «IPRbooks». 3. Большаков В.Н. Экология [Электронный ресурс]: учебник/ Большаков В.Н., Качак В.В., Коберниченко В.Г.— Электрон. текстовые данные.— Москва: Логос, 2013.— 504 c.— Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/14327.html. — ЭБС «IPRbooks. 7