Концепции современного естествознания Лекция: «Организмы и окружающая среда»

Экология – наука о взаимодействии живых организмов друг с другом и с окружающей средой.

Термин «экология» был впервые введен немецким биологом Эрнстом Геккелем в 1869 г. (от греч. oikos – дом или жилище, logos – наука). Как самостоятельная биологическая дисциплина она выделилась только с начала ХХ века. Область экологии охватывает организмы, популяции и сообщества. Она рассматривает их как живой (биотический) компонент экосистемы, которая также включает неживой (абиотический) компонент – физическую среду с ее веществом и энергией. Различные экосистемы вместе образуют биосферу или экосферу.

В экологических исследованиях различают два направления:

- аутэкология – взаимоотношение между организмом или популяцией и окружающей средой;

- синэкология занимается сообществами и средой.

Подходы экологии:

- экосистемный подход – поток энергии и круговорот веществ между биотическим и абиотическим компонентами биосферы (например, цепи питания). Он важен при разработке в будущем научно обоснованной практики ведения сельского хозяйства;

- изучение сообществ – особое внимание уделяется биотическим компонентам экосистем. Исследуются растения, животные и микроорганизмы, обитающие в различимых биотических единицах, таких как лес, луг или вересковая пустошь. Важен для решения вопросов рационального использования природных ресурсов;

- популяционный подход занимается аутэкологическими проблемами. Используются математические модели роста, самоподдержания и уменьшения численности тех или иных видов. Построение этих моделей связано с рождаемостью, выживаемостью и смертностью. Важен при организации заповедников, ведения охотничьего хозяйства, а также для изучения эволюционной и исторической экологии. Популяционная биология обеспечила теоретические основы для анализа расселения и вымирания видов, начиная с самых ранних этапов эволюции жизни на Земле;

- изучение местообитаний. Местообитание – участок среды определенного типа, где живет данный организм. Каждый вид занимает в своем микрообитании определенную экологическую нишу. Это понятие подразумевает не только физическое пространство, где может быть обнаружен данный вид, но и его определенную роль в сообществе, в частности его питание и взаимоотношение с другими видами. Когда два вида занимают одну и ту же нишу, они конкурируют друг с другим, пока один из них не будет вытеснен. Этот подход широко распространен в полевых исследованиях. Он удобен при изучении физических факторов среды (почвы, влажности, освещенности), с которыми тесно связана жизнь животных и растений;

- эволюционный и исторический подходы. Эволюционная экология рассматривает изменения, связанные с развитием жизни на нашей планете, и позволяет понять основные закономерности, действовавшие в экосфере до того момента, когда важным экологическим фактором, влияющим на большинство организмов и на физическую среду, стала деятельность человека. Она пытается реконструировать экосистемы прошлого, используя данные палеонтологии и сведения о современных экосистемах. Историческая экология занимается изменениями, связанными с развитием человеческой цивилизации и технологии, с из возрастающим влиянием на природу, и рассматривает период от неолита до наших дней. Используя эти подходы можно выявить долговременные экологические тенденции, например, расселение видов животных и растений.

Популяционная экология

Популяция – совокупность организмов одного вида, обитающих в данном месте в данное время. Исследование популяций имеет важные практические применения (при изучении вредителей, решении природоохранных задач и др.). Изучая популяции, интересуются не только их численностью в данное время, но их ростом, поддержание и уменьшением в зависимости от факторов среды.

Большая часть работ по динамике популяций проводилась на животных и микроорганизмах.

Размеры популяции могут возрастать в результате иммиграции из соседних популяций или за счет размножения особей. Одним из показателей размножения является плодовитость, которая измеряется числом потомков одной женской особи. У человека рождаемость обычно выражается числом рождений на 1000 человек за год. Размеры популяции могут уменьшаться в результате эмиграции или смертности.

Один из основных факторов, влияющих на уменьшение популяции – это процент особей, погибших до достижения половой зрелости. Для того, чтобы численность популяции оставалась постоянной, в среднем только два потомка каждой пары должны доживать до репродуктивного возраста.

Кривую выживания можно получить, если начать с некоторой популяции новорожденных особей и затем отмечать число выживших в зависимости от времени. Каждому виду свойственна характерная кривая выживания.

Большинство животных и растений подвержено старению, которое проявляется в снижении жизненности с возрастом после периода зрелости. Как только начинается старение, вероятность наступления смерти в определенный период времени возрастает. Кривая А – выживание популяции, в которой старение служит главным фактором, влияющим на смертность. Примером может служить популяция человека в современной развитой стране с высоким уровнем медицинского обслуживания и рациональным питанием. Кроме того, на кривую выживания влияет фактор случайной гибели. Такая же кривая наблюдается для однолетних культурных растений (пшеница), когда все растения на данном поле стареют одновременно.

К ривая Б характерная для популяций организмов с высокой смертностью в ранний период жизни (горные овцы или популяция человека, где широко распространены голод и болезни). Плавная кривая В может быть получена, если смертность постоянна в течение всей жизни организмов. Это может быть, когда главным фактором становится случай, причем особи гибнут до начала заметного старения. Такая кривая весьма характерна для большинства беспозвоночных и растений.

Вычерчивая кривые выживания для различных видов, можно определить смертность для особей разного возраста и таки образом выяснить, в каком возрасте данный вид наиболее уязвим. Установив причины смерти в этом возрасте, можно понять, как регулируется величина популяции.

Стратегия популяция

По типу стратегии популяции подразделяют на две типа: r-виды и К-виды. Первые являются типичными пионерными видами нарушенных местообитаний. Обе эти стратегии представляют два различных решения задачи длительного выживания вида.

r-Виды (виды оппортунисты)	К-виды (с тенденцией к равновесию)
Размножаются быстро (высокая плодовитость, время регенерации короткое)	Размножаются медленно (низкая плодовитость, продолжительное время регенерации)
Скорость размножения не зависит от плотности популяции	Скорость размножения зависит от плотности популяции, быстро увеличивается, если плотность падает
Энергия и вещество распределяются между многими потомками	Энергия и вещество концентрируются в немногих потомках; родители заботятся о потомстве
Размеры популяции некоторое время могут превышать поддерживающую емкость среды	Размеры популяции близки к равновесному уровню
Вид не всегда устойчив на данной территории	Вид устойчив на данной территории
Расселяются широко и в больших количествах; у животных может мигрировать каждое поколение	Расселяются медленно
Размножение идет с относительно большими затратами энергии и вещества	Размножение идет с относительно малыми затратами энергии и вещества; большая часть энергии и вещества расходуется на нерепродуктивный рост
Малые размеры особей	Крупные размеры особей; у растений деревянистые стебли и большие корни
Малая продолжительность жизни особи	Большая продолжительность жизни особи
Могут поселяться на открытом грунте	Плохо приспособлены к росту на открытых местах
Местообитание сохраняется недолго	Местообитание устойчиво и сохраняется долго
Слабые конкуренты (способность к конкуренции не требуется)	Сильные конкуренты
Защитные приспособления развиты достаточно слабо	Хорошие защитные механизмы
Не становятся доминантами	Могут становится доминантами
Лучше приспособлены к изменениям окружающей среды (менее специализированы)	Менее устойчивы к изменениям окружающей среды (высокая специализация для жизни в устойчивых местообитаниях)
Примеры Бактерии, тли, однолетние растения	Примеры Крупные тропические бабочки, кондор, альбатрос, человек, деревья

Виды с r-стратегией быстрее заселяют нарушенные местообитания, так как они легче распространяются и быстрее размножаются. Виды с К-стратегией более конкурентноспособны и в конце концов вытесняют r-виды, которые тем временем перемещаются в другие нарушенные местообитания. Большинству организмов свойственны стратегии промежуточных типов.