ЛЕКЦИЯ 1.

Введение. История развития экологии

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. Это наука о связях, поддерживающих устойчивость жизни в окружающей среде. Экология, базируясь на знаниях биологии, объединяет разнообразные области знания, изучая законы взаимодействия живых и неживых систем.

Экология как наука начала формироваться 150 лет назад, в середине прошлого столетия, после того, как были накоплены сведения о многообразии живых организмов на Земле, об особенностях их образа жизни. Постепенно возникло понимание, что определенным закономерностям подчинены не только строение и развитие организмов, но и взаимоотношения их со средой обитания. И эти закономерности требуют тщательного изучения.

Обособление экологии представляет собой естественный этап накопления знаний о природе. Описания растений и животных, их внешнего и внутреннего строения, разнообразия форм послужили толчком к развитию систематики. Постепенно начали формироваться представления о закономерностях распределения различных видов растений и животных по земному шару. В материалах, собранных во время путешествий, отмечалась связь растительного и животного мира с изменениями климата. Появились первые специальные работы, посвященные влиянию климатических факторов на распространение и биологию животных и растений (1833-1855гг.).

Вся первая половина XIX в. характеризовалась нарастанием интереса к взаимодействию организмов с условиями среды. Профессор Московского университета К. Ф. Рулье (1814–1858) впервые обратил внимание на сходство внешнего строения у разных видов животных, ведущих сходный образ жизни (выделив «земляные», «водные», «воздушные» виды и др.) и положив начало изучению жизненных форм животных.

Представление о том, что живые существа постоянно взаимодействуют с окружающей средой, сформировались еще в глубокой древности. В науке прочно утвердилось представление, что одной из самых фундаментальных характеристик жизни является обмен веществ с окружающей средой. Живые организмы относятся к открытым системам, которые поддерживают себя за счет потоков вещества и энергии из окружающей среды.

Другие фундаментальные свойства жизни, относящиеся к связям с окружающей средой, – это способность к адаптациям, т. е. реакции на изменение условий и возможность подстраиваться к ним в определенных рамках. В этих реакциях большое значение имеют материально-энергетические и информационные потоки.

В 1859 г. появилась книга Ч. Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора». Ч. Дарвин показал, что «борьба за существование» приводит к естественному отбору, т. е. является движущим фактором эволюции. Стало ясно, что взаимоотношения живых существ с неорганическими компонентами среды – большая самостоятельная область исследований. Ч. Дарвин выделил три основных направления в борьбе за существование организмов: отношения с физической средой, с особями своего вида, с особями других видов, заложив тем самым основы популяционного мышления

Термин «экология» впервые ввел немецкий зоолог Э. Геккель (1834–1919) в своих трудах «Всеобщая морфология организмов» (1866) и «Естественная история миротворения» (1868).

Слово «экология» происходит от греческого слова oikos, что означает «жилище», «местопребывание», «убежище». Э. Геккель определял экологию как «науку об отношениях организмов к окружающей среде, к условиям существования. Они могут быть как органической, так и неорганической природы, и имеют большое значение для форм организмов, так как вынуждают приспосабливаться к себе». По Э. Геккелю, экология представляет призвана исследовать «взаимоотношения, которые Дарвин обозначил как «борьбу за существование».

Дальнейшее накопление научных данных привело к пониманию более сложной организации жизни. В 1877 г. немецкий гидробиолог К. Мёбиусом (1825–1908) выдвинул концепцию биоценоза - как закономерного сочетания организмов в определенных условиях среды. Биоценозы, или сообщества, по Мёбиусу, обусловлены длительной историей приспособления видов друг к другу и к сходной экологической обстановке. Таким образом, оформилось представление, что живая природа, помимо организмов, состоит из закономерно складывающихся надорганизменных систем – биоценозов, вне которых организмы не могут существовать, поскольку нуждаются в связях друг с другом.

Особое место в биоценотических исследованиях заняло изучение растительного покрова. В 90-х годах появилось представление о жизненных формах видов и типах растительного покрова. Оформляется учение о растительных сообществах – фитоценозах, которое позднее трансформировалось в фитоценологию и геоботанику.

Для развития идей общей биоценологии в первой половине XX в. большое значение имели фитоценологические исследования Г. Ф. Морозова, В. Н. Сукачева, Б. А. Келлера, Л. Г. Раменского, В. В. Алехина, А. П. Шенникова и др., К. Раункиера в Дании, Браун-Бланке в Швейцарии. Были созданы разнообразные системы классификации растительных сообществ, разработаны представления об экологических индикаторах, изучены структура, продуктивность, динамические связи фитоценозов.

В 20-е годы начала оформляться новая область экологической науки – популяционная экология. Истоком этого направления стала демография, описание роста народонаселения (популюс – народ). В этот период повысилось внимание к поиску закономерностей в изменениях численности видов. Это было вызвано необходимостью разработки основ борьбы с вредителями в сельском и лесном хозяйстве, истощением запасов ценных промысловых животных и др. Английский ученый Ч. Элтон в своей книге «Экология животных» (1927) рассматривает популяцию как единицу, которую следует изучать самостоятельно. Центральными проблемами стали проблемы внутривидовой организации и динамики численности видов. В экологии началось исследование еще одного типа надорганизменных систем – популяций. Это по-новому помогло осознать роль видов в биоценозах, структурную организацию сообществ. Возникла концепция «экологических ниш», связывающая экологические и эволюционные вопросы.

Параллельно развиваются и другие области экологии: морфологическая экология, эволюционная экология, палеоэкология - восстановление образа жизни вымерших форм и оценка экологических факторов эволюции.

С начала 40-х годов в экологии сложился принципиально новый подход к исследованию природы. Начинаются исследования природных систем с точки зрения единства живой и неживой природы. В 1935 г. английский ботаник А. Тенсли выдвинул понятие экосистема, а в 1942 г. В. Н. Сукачев обосновал представление о биогеоценозе. В этих понятиях отражена идея о единстве совокупности организмов с абиотическим окружением, о закономерностях, которые лежат в основе связи всего сообщества и окружающей неорганической среды, о круговороте веществ и превращениях энергии.

Основное внимание привлекали процессы создания биологической продукции. Изучения продуктивности экосистем начали проводить гидробиологи. В середине 30-х годов были разрабатаны методы учета продуктивности планктона и бентоса и произведены расчеты для целостных систем отдельных озер. На основе этого американский ученый Р. Линдеман в 1942 г. предложил принципы расчета энергетического баланса экологических систем. Что сделало возможным рассчитывать и прогнозировать предельную продуктивность биоценозов в конкретных условиях среды.

Развитие экосистемного анализа привело к возрождению учения о биосфере, принадлежащего В. И. Вернадскому (1863–1945). Биосфера предстала как глобальная экосистема, стабильность и функционирование которой основаны на экологических законах обеспечения баланса веществ и энергии.

Экосистемный уровень организации повернул внимание к взаимодействию с природой человеческого общества. Стало ясным, что населяющее биосферу человечество находится в полной зависимости от действия экологических законов. Представления о возможности полного господства человека над природой, ее беспредельного переустройства под свои нужды требовали переосмысливания с научной точки зрения.

Поворот в 50-60-х годах к экосистемным представлениям в экологии совпал с новым витком технического прогресса. Усилился технократический напор на природу, невиданных масштабов достигла добывающая и перерабатывающая промышленность, строительство, транспорт и т. п. Одновременно участились крупномасштабные катастрофы, связанные с деградацией земель, вырубкой лесов, загрязнениями и другими негативными явлениями. Стремительный рост населения земного шара поставил проблему потенциала пищевых ресурсов.

В 60-е годы в рамках Международной биологической программы (МБП) биологи разных стран произвели оценку продукционной мощности биосферы и подсчитали максимальную биологическую продуктивность всей нашей планеты. Для оценки масштабов влияния человеческой деятельности на биосферу в 70-х годах возникла новая международная программа «Человек и биосфера». Ее результатом явились перечень и характеристика наиболее важных глобальных экологических проблем, представляющих угрозу для выживания человечества на Земле.

В настоящее время Международное сотрудничество в области глобальных экологических исследований продолжается. Постоянно действует несколько всемирных научных программ: «Изменения климата», «Биоразнообразие» и др. Проблема охраны природы, ее разумного и рационального использования на основе экологических законов становится одной из важнейших для человечества. Экология является основной теоретической базой для решения этой проблемы.

Основным практическим результатом развития экосистемной экологии стало ясное осознание необходимости перестраивать экономику в соответствии с экологическими законами.

Таким образом, зародившись как «естественная история» видов, основным объектом внимания которой были отношения «организм – среда», экология прошла ряд этапов развития, сформировав представления о сложной системе связей органического мира и постепенно охватив все основные уровни организации жизни.

Уровни организации жизни на Земле.

С точки зрения экологии, жизнь на Земле выражена одновременно на четырех основных уровнях:

– организм

– популяция

– биоценоз

– экосистема.

Носителями жизни являются организмы разной степени сложности, от одноклеточных бактерий до многоклеточных растений и животных. Каждый организм обязательно является членом какой-либо видовой популяции. В свою очередь, жизнь любой популяции невозможна вне биоценозов, каждая популяция внутри биоценоза тесно связана с популяциями других видов. Биоценоз является составной частью экосистемы и обеспечивает свое существование за счет потока вещества и энергии из окружающей среды.

Связи организмов со средой являются механизмом устойчивости не только самих организмов, но и всех надорганизменных систем, вне которых их жизнь невозможна.

Методы исследований в экологии:

Методы исследований в экологии подразделяются на полевые, экспериментальные и методы моделирования.

- Полевые методы представляют собой наблюдения за существованием организмов в их естественной среде обитания и методы полевых учетов.

- Экспериментальные методы включают в себя проведение лабораторных и полевых экспериментов по созданию различных факторов и изучение их влияния на организмы,

- Методы количественного анализа включают приемы упорядочения материалов, собранных предыдущими методами, т.е. статистическую обработку.

- Методы математического моделирования позволяют прогнозировать развитие процессов взаимодействия живых систем между собой и с окружающей их средой.

Популяции, сообщества, экосистемы управляются преимущественно количественными соотношениями особей, видов, энергетических потоков. Любые количественные изменения в структуре популяций и экосистем могут существенно изменить механизмы их функционирования.

В настоящее время широко распространены методы математического анализа экологических ситуаций. Появилось так называемое имитационное моделирование, при котором в модель закладываются многие реальные параметры изучаемых систем, а затем, меняя переменные, наблюдают состояние объектов при разных условиях. Такие модели используются для прогнозирования изменений в популяциях, сообществах или экосистемах и дают хорошие результаты при достаточной полноте исходных данных. Разрабатываются и модели исследовательского характера, на которых проигрываются возможные варианты, позволяющие понять характер исследуемых зависимостей.

Разделы экологии.

В настоящее время экология представляет собой разветвленную систему наук. Основой является общая экология, которая включает четыре раздела, изучающие разные уровни организации жизни:

- аутэкология - или экология организмов (особей), раздел науки, изучающий взаимодействие индивидуального организма или вида с окружающей средой (жизненные циклы и способы приспособления к окружающей среде).

- популяционная экология, или экология популяций (или демэкология - экология населения) - раздел науки, изучающий взаимодействие популяций или особей одного вида внутри популяции с окружающей средой.

- биоценология или экология сообществ, биоценозов - исследует структуру и динамику природных сообществ (или ценозов) — совокупностей совместно обитающих популяций разных видов.

Популяционную и биоценотическую экологию часто объединяют под общим названием «синэкология» (греч. син – вместе) – изучение совместной жизни организмов в сообществах и биогеоценозах.

- экосистемная экология, экология экосистем, биогеоценология — раздел общей экологии, изучающий экосистемы (биогеоценозы).

Существует также частная экология, изучающая особенности взаимоотношений со средой у отдельных групп организмов. Частная экология включает экологию растений, животных, грибов, микроорганизмов. Более дробные разделы – экология птиц, насекомых, рыб и т. п.).

В ходе развития экологии появились новые науки экологического содержания на стыках разных дисциплин и направлений. Так, в настоящее время появились следующие разделы и отрасли экологии:

- Физиологическая экология - выявляет закономерности физиологических изменений, лежащих в основе адаптации организмов.

- Биохимическая экология - изучает молекулярные механизмы приспособительных реакций организмов при изменениях среды.

- Палеоэкология изучает экологические связи вымерших организмов и древние сообщества,

- Эволюционная экология исследует экологические механизмы преобразования популяций,

- Морфологическая экология изучает закономерности строения органов и структур организмов в зависимости от условий обитания,

- Геоботаника – изучает особенности сложения и распределения фитоценозов.

- Гидробиология - изучает на разных уровнях экосистемы водоемов.

- Сельскохозяйственная экология, изучает создаваемые человеком сельскохозяйственные экосистемы. Такие отрасли экологии имеют ярко выраженную практическую направленность.

- Экология человека изучает влияние природной среды на человеческое общество

С развитием экологии выявился целый ряд новых разделов в других биологических науках. Экологические разделы появились и в науках о Земле (например, раздел «экология ландшафтов», «глобальная экология», «геоэкология» и т. п.), и в науках об обществе (например, социальная экология).

Математическое моделирование относят к «теоретической экологии», которая сопутствует развитию науки, проверяя, развивая и детализируя выдвигаемые концепции.

В последние годы все активнее развивается новое направление в экологии - УРБОЭКОЛОГИЯ – (от лат. urbanus — городской) - область знания, объектом исследования которой являются человек в урбанизированной среде и многообразные прямые и обратные связи между окружающей средой и человеком как биологическим и социальным существом. Урбоэкология охватывает и обширные территории вне городской застройки (сельские местности, зоны отдыха и др.). Главная цель урбоэкологии - поиск путей для обеспечения нормальных гигиенических и других условий жизни населения, и рационализация природопользования в границах данной территории, решение задач по охране окружающей среды.

Наибольшее значение урбоэкология имеет в научно-проектных работах по региональному расселению, районной планировке, градостроительству. У в целом является градостроительной и организующей пространство дисциплиной. Она использует законы экологии, изучая взаимодействия урбанизированной и природной сред, а также методы ландшафтоведения, поскольку его объектами являются целостные природные и природно-хозяйственные системы, характеризующиеся взаимодействием слагающих компонентов. Для У. важны различные направления путей экологической компенсации: развитие технологии очистки сточных вод, выбросов в атмосферу, твердых промышленных и коммунально-бытовых отходов; внедрение в производство малоотходных технологий, более глубокой переработки сырья, всемерной утилизации отходов и др.; разработка прогрессивных, более "экологичных" систем транспорта, энергетики, водоснабжения, связи; внедрение в практику новых методов инженерной подготовки территории. Эстетические основы У. в аспекте формирования качества среды обитания людей включают категории и положения эстетики, искусствоведения, социальной психологии, социологии искусства, призванных способствовать изучению закономерностей художественного осмысления и обогащения окружающей среды, а также формированию методов борьбы с психологическим "загрязнением" ландшафта.

Используемые иногда термины — градостроительная экология, градоэкология, экология города и др. по смыслу уже термина У.,

Экологическое мышление становится необходимым для решения самых насущных задач нашей жизни. Современная экология вышла за рамки учебной дисциплины. Необходимость экологического и природоохранительного обучения очевидна. В международной сфере работают специальные организации, задачей которых является пропаганда и внедрение экологических подходов в разные сферы практической деятельности человека. Основная цель – предотвратить грозящий человечеству экологический кризис и, используя экологические законы, обеспечить дальнейшее развитие общества.

Общая экология

Аутэкология - или экология организмов (особей), раздел науки, изучающий взаимодействие индивидуального организма или вида с окружающей средой (жизненные циклы и способы приспособления к окружающей среде).

Организм (особь)

Вид – это совокупность особей, сходных по морфологическим и физиологическим особенностям, имеющих общее происхождение, свободно скрещивающихся между собой и дающих плодовитое потомство, занимающих определенную область распространения (ареал)

Экология растений

ЛЕКЦИЯ 2.

Среда и экологические факторы.

Часть природы, которая окружает живой организм и с которой он непосредственно взаимодействует, называется среда обитания. Это совокупность материальных тел, явлений и энергии, влияющих на живой организм. В земных условиях существует 4 типа среды обитания для живых организмов: водная, наземная (воздушная), почвенная и другой живой организм – для паразитов.

Составные части (или факторы) среды многообразны и изменчивы и оказывают различное воздействие на живые организмы. Одни из них практически безразличны для них (например, инертные газы). Другие факторы среды оказывают существенное влияние на организмы. Такие факторы называются экологические факторы

К экологическим факторам, влияющим на рост и развитие растений, относится свет, вода в почве и атмосфере, механический и химический состав почвы, движение воздуха, дымовые газы, засоление грунтовых вод, радиоактивность, магнитное поле Земли, особенности рельефа, высота над уровнем моря, сильный шум и др.

Факторы среды многообразны. Они могут быть необходимы или, наоборот, вредными для живых существ, способствовать или препятствовать выживанию и размножению. Совокупность всех экологических факторов называют местообитание вида.

Совокупность жизненно необходимых экологических факторов, без которых организм не сможет существовать называются условия существования. Для растений это, например, свет, вода, тепло, воздух, почва. В отличие от них, другие экологические факторы не являются для растения необходимыми, хотя и оказывают на него определенное влияние. Это ветер, дымовые газы, рельеф местности.

Классификация экологических факторов.

Экологические факторы имеют разную природу и специфику действия.

По происхождению и характеру воздействия на живые организмы все экологические факторы подразделяются на абиотические – факторы неорганической, или неживой среды, и биотические – связанные с влиянием живых существ.

I. Абиотические факторы. Факторы неживой природы.

1. Климатические, включают свет, тепло, воздух (его состав, движение), влага (включает осадки, влажность почвы, влажность воздуха).

2. Эдафические или почвенно-грунтовые, включают механический и химический состав почвы, ее физические свойства, водный и температурный режим.

3. Топографические или орографические, включают условия рельефа, высоту над уровнем моря.

II. Биотические факторы – факторы, порожденные деятельностью живых организмов или формы воздействия живых существ друг на друга. Каждый организм постоянно испытывает на себе прямое или косвенное влияние других существ, вступает в связь с представителями своего вида и других видов – растениями, животными, микроорганизмами, зависит от них и сам оказывает на них воздействие. Различают следующие биотические факторы:

1. Фитогенные – влияние растений в сообществах друг на друга. Влияние может быть прямым (механические контакты, симбиоз, паразитизм, поселение эпифитов) и косвенным (фитогенные изменения среды обитания для растений).

2. Зоогенные – влияние животных (поедание, вытаптывание и др. механические воздействия, опыление, распространение семян, косвенное влияние на среду).

Взаимные связи организмов – основа существования биоценозов и популяций; их рассматривает популяционная экология и биоценология, или в общем, синэкологии.

В последнее время выделяют еще одну группу факторов

III. Антропогенные факторы - это формы деятельности человеческого общества, которые приводят к изменению природы как среды обитания других видов или непосредственно сказываются на их жизни.

В ходе истории человечества произошли значительные изменения природы нашей планеты. Результатом охоты явилось исчезновение ряда видов крупных млекопитающих и птиц (бизонов, морских коров и др.) Многие виды стали редкими и находятся на грани исчезновения. Для развития земледелия необходимо было освоение все новых территорий для выращивания культурных растений. Вырубались леса, распахивались огромные территории, уничтожались и другие естественные биоценозы, которые замещались агроценозами - бедные по видовому составу искусственные природные сообщества сельскохозяйственных культур.

С середины XIX в, большое значение начинают приобретать воздействия на природу, связанные с развитием промышленности: Это изменения ландшафта вследствие добычи полезных ископаемых, поступление в окружающую среду загрязняющих веществ.

Загрязнение - это привнесение в среду новых, не характерных для нее веществ или превышение естественного уровня этих веществ в среде. Загрязнение приводит к нежелательному изменению физических, химических или биологических характеристик воздуха, земли и воды, что может сейчас или в будущем оказывать неблагоприятное влияние на жизнь человека, растений и животных, на разного рода производственные процессы и условия жизни.

Воздействие антропогенных факторов приводит к нарушению природных местообитаний многих видов растений и животных, например, распашка земель, интенсивный выпас скота, строительство водохранилищ, осушение болот. Загрязнение окружающей среды отходами промышленности, пестицидами вызывают серьёзные [серьезные] сдвиги в экологическом равновесии, изменяют естественные сообщества растений и животных. При этом многие виды исчезают. Некоторые виды растений и животных приспосабливаются к изменённой [измененной] среде и появляются так называемые синантропные виды (домовая мышь, воробьи, лебеда, крапива и др.). Влияние человека проявляется также в интродукции, выведении новых сортов растений, пород животных.

В настоящее время значение антропогенных воздействий на весь живой мир Земли продолжает стремительно возрастать. Фактически судьба биосферы, всех видов организмов находится в руках человеческого общества, зависит от антропогенного влияния на природу.

Мощное по масштабам и возможным последствиям воздействие человека на природу поставило человечество перед необходимостью принятия научно разработанных мер по сохранению и рациональному использованию ресурсов биосферы.

Экологические факторы могут оказывать на организмы как прямое, так и косвенное действие:

- прямое – непосредственно влияют на обмен веществ, рост, развитие и т.д. (влажность, температура, содержание питательных веществ).

- косвенное – влияют на организм через изменение других факторов. (Удаленность от океана, географическая широта, рельеф, крутизна склона, высота над уровнем моря. Тепло воздействует на влажность почвы и через нее – на водный режим растения)..

В природных условиях не всегда можно разделить прямое и косвенное влияние фактора. Даже один фактор может оказывать на организмы как прямое, так и косвенное влияние. Например, солнечный свет является источником энергии для фотосинтеза, однако сильное освещение приводит к нагреванию воздуха и почвы, что ведет к ее иссушению, что негативно действует на растения.

С другой стороны, один и тот же фактор среды имеет различное значение в жизни совместно обитающих организмов разных видов. Например, сильный ветер зимой неблагоприятен для крупных животных, но безразличен для мелких, которые укрываются в норах или под снегом. Солевой состав почвы важен для питания растений, но безразличен для большинства наземных животных и т. п.

По степени воздействия на живой организм экологические факторы делятся на

1. Ведущие – оказывают сильное влияние на организмы, влияют на все стороны их жизни (для растений – это свет, вода, температура);

2. Второстепенные – действуют слабее, влияют на какой-то определенный жизненный процесс (шум, ветер, радиация).

Среди факторов среды выделяют ресурсы и условия.

Ресурсы - это факторы окружающей среды, которые организмы используют, потребляют, тем самым уменьшая их количество. К ресурсам относят пищу, воду при ее дефиците, убежища, удобные места для размножения и т. п. Условия – это факторы, которые организмы не потребляют, но к которым вынуждены приспосабливаться, т. к. повлиять на них обычно не могут (климат, рельеф). Один и тот же фактор среды может быть ресурсом для одних видов и условием для других видов. Например, свет – жизненно необходимый энергетический ресурс для растений, а для многих животных – условие зрительной ориентации. Вода для всех организмов – ресурс, а для водных растений и животных – еще и условием жизни, и ресурсом.

Изменения факторов среды во времени.

Некоторые свойства среды остаются относительно постоянными на протяжении длительного периода времени, например, сила тяготения, солнечный свет, солевой состав океана, свойства атмосферы. Однако большинство экологических факторов постоянно меняется во времени. Степень изменчивости каждого из этих факторов различна. Например, температура сильно варьирует на поверхности суши, но почти постоянна на дне океана.

Изменения факторов среды во времени могут быть:

1) периодическими, меняющими силу воздействия в течение суток (освещенность), года (температура);

2) нерегулярными, без четкой периодичности, например, явления катастрофического характера – бури, ливни, оползни, извержения и т. п.;

3) направленными, когда факторы изменяются постоянно на протяжении длительных отрезков времени, например, зарастании водоемов, потепление климата.

Поэтому на организмы действует не просто сам фактор, а режим фактора - т.е. его изменение во времени. Например, каждому виду необходим свой световой и температурный режим.

Общие законы действия факторов среды на организмы

Окружающая среда формируется в результате комплексного воздействия на организм большого числа различных факторов. Поэтому часто выделить и изучить влияние отдельного фактора на организм очень сложно.

Однако, несмотря на большое разнообразие экологических факторов, в характере их воздействия на организмы и в ответных реакциях живых существ можно выявить ряд общих закономерностей.