Лекции / Л1 Понятия и законы
.pdfЛекция 1. Предмет и основные подходы в экологии. Основные законы и понятия экологии
Интерес и внимание человечества к экологии появился после выхода в 1962 году книги американской журналистки Карсон "Безмолвная весна" ("The silent spring"), в которой она описывает лес после антропогенной экологической катастрофы.
У экологии есть множество определений. Чаще всего она определяется как наука о взаимоотношениях живых организмов и среды их обитания.
Термин э кология (от греческого oikos – жилище, обитель и logos – учение) ввел в научный обиход немецкий ученый Эрнст Геккель (1866 г.). В его трактовке экология – это познание экономики природы; одновременное исследование всех взаимоотношений живого организма с органическими и неорганическими компонентами среды.
В последнее время, когда угроза глобального экологического кризиса косну - лась самого человека, произошло быстрое расширение экологии. Вобрав в себя проблемы окружающей среды, она не только использует достижения других разделов биологии, но и вторгаясь в смежные с биологией дисциплины – в нау - ки о Земле, в физику, химию, предъявляет новые требования к информатике и вычислительной технике.
Экология становится гипернаукой. В последнее время наблюдается процесс экологизации (рис.1), то есть проникновение идей и проблем экологии во все сферы общественной жизни.
Экология превратилась из частного раздела биологии в обширный и еще окончательно не сформировавшийся комплекс фундаментальных и прикладных дисциплин, который называют "мегаэкологией" или "макроэкологией". Особен - ностью современной экологии является изучение глобального экологического кризиса и преодоление его последствий. На схеме отображены слагаемые мак - роэкологии.
Не все согласны с таким расширением предмета экологии. Некоторые биоло - ги настаивают на сохранении традиционного круга объектов и методов эколо -
1
гии растений и животных, а всю проблему, связанную с экологией человека и охраной природы, обозначают как науку об окружающей среде.
Такое разделение преобладает в западной литературе, где понятия
"ecology" (экология) и "environmental science" (наука об окружающей среде) не совпадают по содержанию. В нашей, отечественной трактовке оба эти понятия чаще сливаются под именем экология.
Общая экология |
ЭКОЛОГИЯ |
|
Социальная эколо- |
|
Теоретическая экология |
|
|||
|
|
гия |
||
|
|
|
||
Математ. экология |
|
|
Экологическая эко- |
|
|
|
|
||
Моделирование эколо- |
|
|
номика природо- |
|
|
Прикладная экология |
|||
гических систем и про- |
пользования |
|||
|
|
|||
|
Инженерная экология |
|||
цессов |
|
|||
|
|
Биоэкология |
||
Экспериментальная |
Сельскохозяйственная |
|||
|
||||
|
|
Экология групп |
||
экология |
экология |
|
||
|
|
|||
|
|
организмов |
||
|
Биоресурсная и про- |
|
||
|
|
|
||
|
мысловая экология |
|
Эволюционная |
|
|
|
|
||
Геоэкология |
Коммунальная экология |
экология |
||
Экология геосфер |
Медицинская экология |
Экология есте- |
||
Экология биогеографиче- |
|
|
ственных биоси- |
|
ских природных зон |
|
|
Экология человека |
|
Климатология |
|
|
||
|
Биоэкология человека |
|||
Экология регионов, |
|
|||
Экологическая |
Социальная экология |
|||
стран, континентов |
||||
химия |
Экология человечества |
|||
|
||||
Рис.1. Подразделения современной экологии В современной экологии сталкиваются две диаметрально противоположен -
ные системы взглядов, два разных подхода к проблеме взаимоотношений Чело - века и Природы.
2
Два подхода в проблеме отношения человека и окружающей его среды. 1. Технологический или антропоцентрический подход.
•Все взаимоотношения человека со средой строятся по правилам, которые устанавливает сам человек.
•Человек считает себя свободным от давления большинства сил, которые правят природой.
•Законы природы не могут и не должны мешать научно-техническому и социальному прогрессу.
• |
Возникшие проблемы в окружающей среде рассматриваются, как след - |
ствие неправильного ведения хозяйства. |
|
• |
Все проблемы окружающей среды могут быть устранены путём техноло - |
гической реорганизации и модернизации.
Этот подход характерен для многих политиков, экономистов, хозяйственников и представляется естественным для большинства инженеров.
2. Биоцентрический или экоцентрический подход.
•Это подход рассматривает человека, как биологический вид, в значитель - ной мере остающийся под контролем главных экологических законов, кото - рый в своих взаимоотношениях с природой вынужден и должен принимать её условия.
•Развитие человечества рассматривается, как часть эволюции природы, где
действуют свои законы, то есть законы экологических пределов, необрати - мости, отбора и т.д.
•Возникшие в окружающей среде проблемы в большинстве случаев связа - ны с антропогенной деятельностью, то есть, порождены самим человеком.
•Нарушения регулируемых функций биосистем не могут быть восстанов - лены техническими способами.
• Прогресс человечества ограничивается требованиями подчинения зако -
нам природы.
Этот подход характерен для относительно небольшого круга профессиональных экологов и системных аналитиков.
3
Выбор между этими двумя подходами или компромисс между ними во многом определяет стратегию дальнейшего развития человеческого общества. Охрана природы. Охрана окружающей среды.
Охрана окружающей среды – недопущение появления в среде обитания лю - дей вредных для здоровья компонентов.
Охрана природы – ограничение или запрещение изъятия природных ресур - сов, недопущение нарушения жизнедеятельности природных систем.
Конечная цель одна и та же – сохранение здоровья и благополучия людей, но подходы различные. С другой стороны, эти понятия не могут быть разделены, так как загрязнение окружающей среды наносит вред живым организмам, а де - градация окружающей среды ослабляет ее способность к самоочищению.
Основные законы экологии (четыре закона Коммонера) 1. Все связано со всем.
В природе всё взаимосвязано, каждая её частица уникальна и значима. 2. Всё должно куда-то деваться.
Какой бы не была заводская труба, отбросы всё равно попадут в атмосферу, почву, водоём.
3. Природа знает лучше.
Человечеству необходимо находиться в гармонии с природой, учиться у неё,
ане покорять.
4.Ничего не даётся даром.
Всё имеет свою цену и за всё надо платить; бесплатных природных ресурсов нет.
Основные понятия экологии Биосистема – биологическая система, в которой биотические компоненты
разных уровней организации, от генов до сообществ, упорядоченно взаимодей - ствуют с окружающей физической средой – абиотическими компонентами (ве - ществом и энергией) – составляя с ними единое целое. Биотические компонен - ты представляются «лестницей жизни» , в которой выделяют шесть ступеней
(рис.2):
4
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Абиотические компоненты |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Энергия |
|
||||||||||
|
Энергия |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вещество |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
||||||||||||
Биотические |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
сообщества |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
компоненты |
|
|
|
|
|
|
популяции |
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- генетические системы |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
организмы |
|
|
|
|
|
|
4 |
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
- клеточные системы |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
- системы органов |
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
органы |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
- системы организмов |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
клетки |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
- популяционные системы |
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
- экологическая система |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
гены |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(экосистема) |
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис.2. Иерархия уровней организации живой материи (“лестница жизни |
”) |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Генетические системы изучает генетика. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
Клеточные системы изучает цитология. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
Органы системы изучает физиология. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
Системы популяций и сообществ изучается экология. |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
На всех уровнях «лестницы жизни» действуют законы сохранения вещества |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
и энергии. Если энергия может поступать в систему и выделяться вовне, то ве |
- |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
щество обязано оставаться внутри системы. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
Популяция – совокупность разновозрастных особей одного вида. Они обме |
- |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ниваются генетической информацией, объединены общими условиями суще |
- |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ствования, общностью ореола и происхождением. |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Популяция характеризуется рядом признаков (рождаемость, смертность, |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
плотность, распределение в пространстве и т.д.), носителями которых является |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
группа, а не отдельные особи. Популяция обладает биологическими свойства |
- |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ми, присущими как группе, так и входящим в неё организмам. Одной из важных характеристик популяции является её возрастная структура, которая зависит от рождаемости, продолжительности жизни и смертности. Различные типы воз -
растной структуры популяции показаны на рис.3.
5
Популяция
Возраст |
Развивающаяся |
Стабильная |
Вымирающая |
Старость
Зрелость
Молодость
% особей популяции Рис.3. Типы возрастной структуры популяции
В экосистеме популяции образуют сообщества, то есть биоценозы. Биоценоз (гр. koinos − общий) − совокупность живых организмов, населяющих определенный биотоп.
Биотоп (гр. topos − место) − однородное по абиотическим факторам местооби -
тания, занятое одним и тем же сообществом. Пример: озеро (рис.4):
Биотоп: солнце, воздух, почва, осадки, вода.
Биоценоз: микроорганизмы, рыбы, растения, водоросли и т.д. Совокупность биоценоза и биотопа представляет экосистему озера.
микроорганизмы |
воздух |
|
воздух |
водоросли |
осадки |
= |
осадки |
+ |
|
||
рыбы |
водоросли, |
||
вода |
|
микроорганизмы, |
|
|
|
|
рыбы |
Биоценоз |
Биотоп |
|
Экосистема (озеро) |
|
Рис.4. Экосистема озера. |
||
6
Лекция 2. Состав и свойства экосистем. Образование и разложение орга |
- |
нических веществ |
|
Экосистема – это совокупность всех популяций разных видов, проживаю - |
|
щих на общей территории, с окружающей их неживой природой. |
|
Биосфера – сумма экосистем, включающая все живые организмы, взаимо |
- |
связанные с физической средой. |
|
Принцип эмерджентности Все уровни ступеней «лестницы жизни» взаимодействуют между собой, но
по мере объединения подсистем в более крупные, у этих новых систем возникают уникальные свойства, которых не было на предыдущем (низшем) уровне. Эти свойства называются эмерджентными (англ. emergent – неожиданно появляющийся). Эти свойства нельзя предсказать на основании наших знаний о свойствах составляющих подсистем. Принцип эмерджентности заключается в том, что биологические системы обладают свойствами, которые нельзя свести к простой сумме свойств составляющих их подсистем.
Проявление этого принципа в математике: при каждом объединении под - множеств в новое множество, у последнего возникает, по крайней мере, одно новое свойство.
Проявление этого принципа в психологии: психологический портрет толпы
не является суммой психологических портретов составляющих её индивидуу |
- |
мов. |
|
Проявление этого принципа в химии: свойства воды, образованной из кис |
- |
лорода и водорода, отличны от свойств этих газов. |
|
Американский эколог Ю.Одум писал: "Хорошо известный принцип |
|
несводимости свойств целого к сумме свойств его частей должен служить пер |
- |
вой рабочей заповедью эколога", т.е. для изучения целого не всегда обязательно знать все его составляющие.
7
Абиотические компоненты экосистемы
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Неорганические |
|
Органические |
|
Климатический |
|
|||||
|
вещества и |
|
вещества |
|
режим |
|
|||||
|
химические эле- |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
менты |
|
углеводы, жиры, |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
Воздушная |
|
|||||||
|
|
|
|
|
аминокислоты, |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
Водная |
|
||||
|
СО2, Н2О, О2, N2, |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
||||||
|
Ca, Mg, K, Na, Fe, P, |
|
гуминовые |
|
Твердая |
|
|||||
|
S, Cl и др. |
|
вещества |
|
среда обитания |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис.5. Абиотические компоненты экосистемы. Состав экосистем:
1.Абиотические компоненты:
•Неорганические вещества и химические элементы, участвующие в обме - не веществ между живой и неживой природой (СО 2, Н2О, О2, N2, Ca, Mg, K, Na, Fe, P, S, Cl и др.).
•Органические вещества, участвующие в обмене веществ между живой и неживой природой (белки, жиры, углеводы, аминокислоты, гуминовые вещества).
Гумус – перегной – устойчивое органическое вещество в почве, образующееся в результате разложения растительных и живых компонентов.
•Воздушная, водная, твёрдая среда обитания.
•Климатический режим.
2.Биотические компоненты – совокупность всех живых организмов, которые подразделяются на:
•Продуценты (автотрофы). Организмы, которые производят пищу из неорганических веществ. Автотрофы (греч. autos – сам ; trophe - пища).
а) фотоавтотрофы – все организмы, принимающие участие в фотосинтезе, а так же вещества, использующие энергию солнечного света:
hν
6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2 + Q
hν
6CO2 + 12H2S → → C6H12O6 + 12S + 6H2O
8
Биотические компоненты экосистемы
Продуценты |
Редуценты |
|
Консументы |
лат. producens − |
|
||
создающий, |
лат. reducens − |
лат. consume − |
|
возвращающий |
|
потреблять |
|
производящий |
|
||
автотрофы |
|
|
|
греч. autos − сам; |
|
|
|
trophe − пища |
Сапротрофы |
Фаготрофы |
|
|
|||
|
|
гетеротрофы |
|
Фотоавтотрофы |
греч. heteros − разный; |
||
Хемоавтотрофы |
trophe − пища |
||
Рис.6. Биотические компоненты экосистемы.
б) хемоавтотрофы – вещества, использующие энергию, выделяющуюся при химических реакциях
2NH3 + 3O2 = 2HNO2 + 2H2O + 660 кДж
2HNO2 + O2 = 2HNO3 + 158 кДж
•Консументы (гетеротрофы). Организмы, которые потребляют пищу, созданную продуцентами. Гетеротрофы (греч. heteros – разный ; trophe - пища):
а) фаготрофы – организмы, использующие для питания другие живые ор - ганизмы.
б) сапротрофы – организмы, использующие для питания органические вещества мёртвых остатков.
•Редуценты (лат. reducens − возвращающий) – организмы, участвующие в
последней стадии разложения органических веществ до неорганических, называемой минерализацией. Редуценты возвращают вещества в круго - ворот, превращая их в формы, доступные для продуцентов (СО 2, Н 2О, NН3 и пр.).
9
Без редуцентов в биосфере накапливались бы органические останки и ис - сякли все запасы минеральных веществ.
Пространственная структура экосистем В любой экосистеме возможно выделение двух ярусов:
а) верхний – автотрофный (зеленый пояс Земли) – включает зеленые растения. Там происходит фиксация света и использование простых неорганических ве - ществ в реакциях фотосинтеза.
б) нижний – гетеротрофный (коричневый пояс Земли) – представлен почвами и донными отложениями водоемов. Преобладают процессы разложения мертвых органических остатков.
Образование и разложение органических веществ Фотосинтез – накопление части солнечной энергии путём превращения её
в потенциальную энергию химических связей органических веществ. Джозеф Пристли (1771 г.)
Ян Ингенхоус (1779 г.) Корнелиус ван Ниль
C6H12O6
HC-CH-CH-CH-CH-CH2
O OH OH OH OH OH
Реакции фотосинтеза: |
|
|
|
|
|
|
Для зелёных растений: |
|
|
|
|
|
|
nCO |
|
|
hν |
|
|
+ nO |
+ nH O →(CH O) |
||||||
2 |
|
|
2 |
2 |
n |
2 |
Для красных водорослей: |
|
|
|
|
|
|
nCO + 2nH |
|
hν |
|
+ 2nS + nH O |
||
2 |
S →(CH O) |
|||||
2 |
|
2 |
n |
|
2 |
|
В итоге этих реакций синтезируются углеводы.
Разложение органических веществ происходит в процессе метаболизма. Метаболизм (греч. metabol - изменения) – совокупность биохимических
реакций и превращение энергии в живых клетках, сопровождающееся обменом веществ между организмами и средой.
10