Контрольные вопросы для самоподготовки студентов

1. Учение о биосфере В. И. Вернадского.

2. Границы и характерные особенности биосферы.

3. Биотический круговорот веществ в биосфере.

4. Экологические факторы и их классификация.

5. Классификация организмов по отношению к экологическим факторам.

Темы рефератов

1. Экологические факторы.

2. Закономерности взаимоотношений организмов и среды.

3. Антропогенные экологические факторы.

4. Адаптация организмов к окружающей среде.

5. Роль экологических факторов в динамике численности организмов.

3. Основные законы и правила экологии

Цель занятия: изучить законы, правила экологии и их роль в организации природоохранной деятельности.

Несмотря на многообразие экологических факторов и различную природу их происхождения, существуют некоторые общие правила и закономерности их воздействия на живые организмы.

По мере роста населения и интенсивности его хозяйственной деятельности происходит возрастание антропогенной нагрузки на природную среду. Возникает вопрос о пределах противостояния природной среды этим нагрузкам и способах формирования отношений между обществом и приро­дой, позволяющих не преступать этого предела в ходе хозяйственной деятельности. Главным условием в этом направлении является постижение и соблюдение основных экологических законов.

Закон внутреннего динамического равновесия, суть которого состоит в наличии ответных реакций отдельных или взаимосвязанных природных систем и их иерархий при воздействии на них веще­ства, энергии или информации. Любое изменение среды неизбежно приводит к развитию природных цепных реакций, идущих в сторону нейтрализации произведенного изменения или формирования но­вых природных систем, образование которых при значительных изменениях среды может принять не­обратимый характер. Даже слабые изменения одного из показателей системы могут вызвать сильные изменения других, а также всей системы целом.

Производимые в крупных экосистемах перемены относительно необратимы. Переходя по иерархии снизу вверх – от места воздействия до биосферы в целом – они меняют глобальные процессы и тем самым переводят их на новый эволюционный уровень. При достижении существенных значений перемен в природной среде, соответствующих понятию «критические», происходят существенные сдвиги в природных системах и в соответствии с законом внутреннего динамического равновесия – во всей биосфере.

Закон минимума (закон Либиха). Для жизни организмов необходимо определенное сочетание условий. Если все условия среды обитания благоприятны для развития организма или популяции, такое сочетание условий существования называется экологическим оптимумом, однако в природе это наблюдается редко, хотя потенциально сочетание экологических факторов неограниченно. В естествен­ных условиях некоторые факторы являются определяющими. Так, наличие пищи, воды и тепла на 80 % определяет состояние популяции, а дополнительное наличие жилья (убежища), врагов и конкурентов – на 90 %. В совокупности условий существования почти всегда можно выделить фактор, отсутствие или недостаток которого может ограничить жизнедеятельность организмов, даже если все остальные факторы находятся в условиях оптимальности. Этот фактор, ограничивающий (лимитирующий) разви­тие организма, называется лимитирующим фактором.

В середине XIX века немецкий химик-органик Юстас Либих первым экспериментально устано­вил, что рост растений зависит от того элемента питания, который присутствует в относительно минимальном количестве. Он доказал, что урожай растений можно эффективно повысить, увеличив в почве содержание минимального фактора, например, количество азота или фосфора.

Это явление он назвал законом минимума. В честь автора его называют законом Либиха. Веществом, присутствующим в минимуме, управляется урожайность, ее величина и стабильность во време­ни.

В современной формулировке закон минимума звучит так: выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей.

Закон толерантности (правило В. Шелфорда). Позже выяснилось, что лимитирующим может быть не только недостаток, но и избыток фактора, например, гибель урожая из-за дождей, перенасыщения почвы удобрениями и т. п. Понятие о том, что наравне с минимальным лимитирующим факто­ром может быть и максимум, ввел спустя 70 лет после Ю. Либиха американский зоолог В. Шелфорд, сформулировавший закон толерантности (от латинского tolerantia – терпение). Любой живой организм имеет определенные генетически унаследованные верхний и нижний пределы устойчивости (толе­рантности) к любому экологическому фактору. Лимитирующим фактором процветания популяции (организма) может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, а диапазон между ними определяет величину выносливости (предел толерантности), или экологическую ва­лентность организма к данному фактору.

Согласно этому закону, благополучие популяции или вида организмов зависит от комплекса экологических факторов, для каждого из которых существует определенный диапазон выносливости, или толерантности, организма. Благоприятный диапазон действия экологического фактора называется зо­ной оптимума (нормальной жизнедеятельности). Чем значительнее отличие действия фактора от оп­тимума, тем больше данный фактор угнетает жизнедеятельность популяции. Этот диапазон называется зоной угнетения. Максимально и минимально переносимые значения фактора – это критические точ­ки, за пределами которых существование организма или популяции невозможно.

Согласно этому, из закона толерантности (1986) следуют несколько выводов:

• организмы могут иметь широкий диапазон толерантности в отношении одного фактора и узкий в отношении другого;

• организмы с широким диапазоном толерантности по всем факторам наиболее широко распространены;

• если уровень одного экологического фактора выходит за пределы диапазона толерантности, то может измениться диапазон толерантности и к другим экологическим факторам (например, при низ­ком содержании азота в почве растения для предотвращения увядания потребляют больше воды);

• пользоваться оптимальными условиями среды организмам часто мешают межпопуляционные и внутривидовые отношения – конкуренция, хищничество, паразитизм и др.;

• период размножения обычно является критическим, так как многие факторы среды часто становятся лимитирующими.

Учитывая, что благополучие популяции (т. е. организмов одного вида) в определенной степени зависит от комплекса экологических факторов, для каждого из которых существует определенный диапазон выносливости (толерантность) организма, его выживание возможно только при совмещении зон оптимума этих факторов. Совмещение зон толерантности, образующее экологическое пространст­во существования популяции или вида, называется его экологической нишей.

По отношению к способности переносить неблагоприятные факторы среды все организмы де­лятся на стенобионтные и эвриобионтные.

Стенобионтные (от лат. stenos – узкий) организмы имеют узкий диапазон устойчивости (к какому-либо фактору), и для их жизни необходимы строго определенные экологические условия. Эвриобионтные (от лат. eyros – широкий) организмы имеют широкий диапазон устойчивости, они могут приспо­сабливаться к экологической обстановке с широкими изменениями параметров.

Например, песцы в тундре могут переносить колебания температуры воздуха в диапазоне около 80 °С (от +30 °С до –55 °С), тогда как тепловодные рачки Copilia mirabiis выдерживают изменения температуры воды в интервале не более 6 °С (от +23 °С до +29 °С).

Эвриобионтность обычно способствует широкому распространению видов (простейшие, грибы). Стенобионтность обычно ограничивает ареалы.

По устойчивости к конкретным факторам среди стенобионтных и эвриобионтных организмов выделяют: эвритермные и стенотермные (по устойчивости и неустойчивости к колебаниям температу­ры); эвригалинные и стеногалинные (по отношению к колебаниям солености воды) и др.

Виды организмов могут отличаться и местоположением оптимума на шкале количественных изменений фактора. Виды, приспособленные к высоким дозам фактора, терминологически обозначают­ся окончанием «фил» (от греч. phyleo – люблю): термофилы (теплолюбивые виды); гигрофилы (обита­тели мест с высокой влажностью) и т. д. Виды, обитающие в противоположных условиях, обозначаются термином с окончанием «фоб» (от греч. phobos – страх): галлофобы – обитатели пресных водоемов, не переносящие осолонения, и т. д.

Закон максимизации энергии – выживание или сохранение одной системы в соперничестве с другими – определяется наилучшей организацией поступления в нее энергии и использованием ее максимального количества наиболее эффективным способом. Для реализации закона максимизации и энергии необходимо соблюдение следующих положений: обязательное создание накопителей высо­кокачественной энергии; использование накопленной энергии на обеспечение поступления новой энергии; обеспечение кругооборота веществ; создание механизмов регулирования, поддерживающих устойчивость системы и ее способности приспособления к изменяющимся условиям; налаживание обмена энергией с другими системами для обеспечения потребности энергией других видов. Закон максимизации энергии справедлив и в отношении информации: наилучшими шансами на самосохра­нение обладает система, которая в наибольшей степени способна получать, вырабатывать и эффек­тивно использовать энергию и информацию.

Закон ограниченности природных ресурсов (правило одного процента) – все природные ресурсы Земли являются конечными, поэтому говорить о наличии «неисчерпаемых» природных ресурсов по меньшей мере некорректно. Антропогенные изменения в биосфере сверх допустимого предела по правилу 1 % выводят ее из равновесного состоянии. Это правило основывается на том, что все крупно­масштабные изменения на поверхности Земли (мощные циклоны, извержения вулканов, процесс гло­бального фотосинтеза), как правило, имеют суммарную энергию, не превышающую 1 % от энергии солнечного излучения, падающего на поверхность нашей планеты. Искусственное внесение энергии в биосферу не должно превышать этого предела.

Закон пирамиды энергий (правило десяти процентов) в соответствии с правилом экологической пирамиды: каждый последующий трофический уровень ассимилирует не более 10 % энергии предыду­щего. Этот закон позволяет делать расчеты необходимой земельной площади для обеспечения насе­ления продовольствием и другие эколого-экономические расчеты. Закон пирамиды энергий и правило 10 % служат общим ограничением для практических целей хозяйственной деятельности человека и природопользования.

Правило обязательности заполнения экологических ниш: пустующая экологическая ниша всегда бывает естественно заполнена. При заполнении ниши исчезнувший или уничтоженный вид заме­няется функционально близким, но менее специализированным, и замена происходит от более круп­ных по размерам и высокоорганизованных форм к менее крупным и организованным.

Правило целесообразного преобразования природы, или правило «мягкого» управления природой, заключается в восстанавливающем экологический баланс управлении природными ресурсами, в организации желательных природных цепных реакций.

Правило двух уровней адаптации. Любая биологическая система, в том числе организм, обитает в сложных и изменчивых условиях среды, с которой поддерживает непрерывные и жизненно важные взаимосвязи, основанные на обменных процессах. Устойчивость организменной системы, ее относи­тельная самостоятельность, так же как осуществление повседневных функций, зависят от того, на­сколько структура и физиологические свойства организма сохраняют свои главные особенности на фо­не меняющихся внешних условий.

Способность организма поддерживать физиологические функции на свойственном им уровне при изменении среды обитания называется адаптацией. Адаптация основана на защитно-приспособительных реакциях организма, представляет собой сложное универсальное явление, проис­ходящее на клеточном, органном, системном и организменном уровнях, и регулируется рефлектор­ным и гуморальным путем.

Биологический смысл адаптации состоит в установлении и поддержании гомеостаза. Гомеостаз – это относительное динамическое постоянство внутренней среды организма (терморегуляция, крово­обращение, газообмен и др.), поддерживаемое механизмами саморегуляции в условиях колебания внутренних и внешних раздражителей (факторов).

Процесс саморегуляции организма является циклическим и осуществляется на основе «золотого правила»: всякое отклонение от жизненно важного уровня какого-либо фактора служит толчком к не­медленной мобилизации многочисленных процессов в соответствующей функциональной системе, вновь восстанавливающих этот жизненно важный уровень.

Поскольку в организме человека существует множество полезных приспособительных процес­сов, обеспечивающих различные стороны его жизнедеятельности, работа целого организма строится из совокупной деятельности многих функциональных систем.

По экологическому значению адаптивные механизмы можно разделить на две группы:

• адаптивные механизмы по отношению к наиболее генерализированным и устойчивым параметрам среды;

• функциональные адаптивные реакции при отклонении конкретных условий среды от средних характеристик.

Например, при острой гипоксии (кислородном голодании) приспособлением газообменной функции организмов являются такие реакции, как учащенное дыхание и сердцебиение, выброс в кровь эритроцитов и т. п. Это лабильный функциональный ответ на возрастание кислородного дефицита. Для видов, приспособленных к обитанию в условиях дефицита кислорода, характерно изменение фундаментальных свойств газообменной функциональности системы в виде перестройки тканевых дыхательных ферментов, уровней эритропоэза и т. п.

Правило соответствия условий среды генетической предопределенности организма. Вид орга­низмов может существовать до тех пор и постольку, поскольку окружающая его природная среда ответствует генетическим возможностям приспособления этого вида к её колебаниям и изменениям.

Законы экологии Коммонера. В 1974 г. американский эколог Б. Коммонер сформулировал несколько экологических аксиом в виде поговорок. Они были названы автором «законами экологии»: все связано со всем; все должно куда-то деваться; природа «знает» лучше; ничто не дается даром.

Первый закон говорит о взаимосвязи процессов и явлений в природе. Он близок по смыслу к закону внутреннего динамического равновесия: изменение одного из показателей системы вызывает функционально-структурные количественные и качественные перемены других показателей, ведущие к нейтрализации возмущения, при этом сама система сохраняет общую сумму вещественно-энергетических качеств. Если первоначальное возмущение чрезвычайно велико и система не может его компенсировать, это может привести к еще большей деформации системы.

Второй закон. В отличие от человеческого производства в природе не бывает отходов. Все опавшие листья, погибшие животные и т. д. становятся пищей для других организмов (насекомых, грибов, бактерий) и включаются в кругооборот веществ. При этом в природе всегда соблюдается количествен­ный баланс масс, равенство скоростей синтеза и распада.

Третий закон призывает к предельной осторожности. На протяжении миллиардов лет методом проб и ошибок в ходе жестокой конкуренции сформировалась та окружающая среда, в условиях кото­рой мы сегодня живем. Все в природе должно было пройти отбор, начиная от простых молекул до высших животных и человека. Сегодня планету населяет лишь одна тысячная часть испытанных эволю­цией видов растений и животных. Поэтому, пытаясь изменить природу, человек должен помнить, что каждое отобранное природой живое существо уникально и на его эволюцию понадобилось время не­сопоставимо большее, чем вся история жизни человечества, что, пытаясь улучшить природу, очень легко ошибиться. Люди должны воздействовать на природу с предельной осторожностью, т. к. мы не можем предвидеть все последствия нашего влияния на нее и можем легко навредить природным сис­темам.

Иллюстрацией третьего закона экологии Коммонера может служить математический расчет параметров биосферы. Для него, применяя самые современные средства вычисления, требуется без­мерно больше времени, чем весь период существования нашей планеты как твердого тела.

Так как потенциально осуществимое разнообразие природы оценивается числами порядка от 10⁵⁰ до 10¹⁰⁰⁰, то при пока не осуществленном быстродействии персональных компьютеров (10¹⁰ операций в секунду) и работе огромного числа (10⁵⁰) машин операция вычисления одномоментной задачи варианта из 10⁵⁰ разностей займет 10³⁰ с, или 3•10²¹лет, что почти в 10¹² раз дольше сущест­вования жизни на Земле. Природа пока «знает» лучше нас.

Четвертый закон касается тех проблем, которые обобщает закон внутреннего динамического равновесия и закон развития природной системы за счет окружающей ее среды. Коммонер так разъ­ясняет свой четвертый закон экологии: «...глобальная экосистема представляет собой единое целое, в рамках которой ничего не может быть выиграно или потеряно, и которая не может являться объектом всеобщего улучшения; все что было извлечено из нее человеческим трудом, должно быть возмещено. Платежа по этому векселю нельзя избежать; он может быть только отсрочен».