ГОУ ВПО «Воронежский государственный

технический университет»

Н.В. Мозговой В.Ю. Лозовая И.Е. Рохас Риоха

ЭКОЛОГИЯ:

КУРС ЛЕКЦИЙ

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2011

УДК 502

Мозговой Н.В. Экология: курс лекций: учеб. пособие / Н.В. Мозговой, В.Ю. Лозовая, И.Е. Рохас Риоха. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2011. 80 с.

Учебное пособие представляет собой законченную работу, оно раскрывает проблемы экологии, включённые в лекционный материал курса.

Учебное издание соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 220100 «Информатика и вычислительная техника», специальности 220101 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети», дисциплине «Экология». Предназначено для студентов очной формы обучения.

Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе MS WORD XP и содержится в файле курслекэкол.doc.

Табл. 3. Ил. 9. Библиогр.: 10 назв.

Рецензенты: кафедра медицинской физики

Воронежской государственной

медицинской академии им. Н.Н. Бурденко

(зав. кафедрой канд. биол.

наук Е.В. Дмитриев);

канд. техн. наук, доц. А.В. Звягинцева

 Мозговой Н.В.,

Лозовая В.Ю.,

Рохас Риоха И.Е., 2011

 Оформление. ГОУВПО

«Воронежский государственный

технический университет», 2011

Введение

Экология – наука о взаимодействии живых организмов и их систем с окружающей средой, их взаимовлиянии и взаимопроникновении. Очень часто термин окружающая среда заменяется словом «природа».

Под живыми организмами понимается человек и все остальные живые представители природы: животные, растения, простейшие организмы.

Экологические знания необходимы при изучении многих дисциплин и, прежде всего дисциплин инженерного цикла.

Вопросам взаимоотношений человека и среды уделяли внимание виднейшие представители человечества: Леонардо да Винчи (вода – организм человека); М. Ломоносов (воздух – тепло – человек) и др. Но накопление экологических знаний шло в основном в сфере зоологии и анатомии. Качественный скачок произошел в середине ХIХ века, когда экология оформилась как самостоятельная наука. В начале ХХ века появились первые экологи, В.Н. Сукачев, В.И. Вернадский, В.В. Станчинский, Э.С. Бауэр, Г.Г. Гаузе, В.Н. Беклемишев, А.Н. Формозов, Д.Н. Кашкаров и др., которые трудились в заповедниках, занимаясь в основном наблюдениями за животным и растительным миром, анализом изменения численности популяций. Чаще их именовали «естественниками».

Важнейшей задачей экологии в современных условиях является оптимизация взаимоотношений между человеком и сообществом живых организмов, популяциями, биоценозами, экосистемами. Она изучает их в конкретной среде обитания, увязывая с постоянным воздействием, хозяйственной деятельностью человека (антропогенным фактором).

В настоящее время резко увеличилась антропогенная трансформация среды: сведение лесов, устройство водохранилищ, появление новых населенных пунктов, железных и асфальтированных дорог и т. д., поэтому экологизация должна стать основой любой отрасли народного хозяйства, производства, любого направления развития общественных отношений. Экологическая безграмотность подрывает основы существования человеческого общества, устойчивое развитие природы. Экология строит прочный фундамент для создания гармоничных отношений с внешней средой, а управление природными процессами и использование ее ресурсов при прогнозировании экологических последствий позволяет сохранить и приумножить все биологическое разнообразие живых организмов. В связи с этим объемы потребления ресурсов не должны превышать потенциалов их воспроизводства, а уровень загрязнения – способности к самовосстановлению и очищению.

Данное пособие предлагается в качестве курса лекций по экологии, в котором авторы стремились составить общее представление о дисциплине и условно выделить следующие основные разделы: общая экология, экология человека, прикладная и инженерная экология. Приводимые в данном пособии многочисленные примеры способствуют пониманию многих экологических вопросов, их практических решений в условиях современности.

Лекция 1. Понятие об экологии. Предмет и задачи экологии. Основные законы экологии

1. Понятие об экологии. Предмет и задачи экологии.

Экология – наука, изучающая условия существования живых организмов и взаимосвязи между организмами и средой, в которой они обитают.

Изначально экология развивалась как составная часть биологической науки, в тесной взаимосвязи с другими науками (химией, физикой, геологией, географией, почвоведением, математикой и т. д.).

Предметом экологии является совокупность, или структура, связей между организмами и средой. Главный объект изучения экологии – экосистемы, т. е. единые природные комплексы, образованные живыми организмами и средой обитания. Кроме того, в область задач экологии входит изучение отдельных видов организмов (организменный уровень), изучение их популяций (популяционный уровень) и биосферы в целом (биосферный уровень).

Основной, традиционной, частью экологии как биологической науки является общая экология. Она изучает общие закономерности взаимоотношений любых живых организмов и среды (включая человека как биологический вид).

В составе общей экологии различают следующие основные разделы:

1. Аутэкология – исследует индивидуальные связи отдельного организма (виды, особи) с окружающей их средой.

2. Демоэкология (популяционная экология). Этот раздел экологии включает изучение структуры и динамики популяций отдельных видов.

3. Синэкология (биоценология), изучает взаимоотношения популяций, сообществ и экосистем со средой.

Для всех этих направлений главным является изучение выживания живых существ в окружающей среде и задачи перед ними стоят преимущественно биологического свойства – изучить закономерности адаптации организмов и их сообществ к окружающей среде, саморегуляцию, устойчивость экосистем и биосферы и т.д.

В изложенном выше понимании общую экологию нередко называют биоэкологией, когда хотят подчеркнуть ее биоцентричность.

С точки зрения фактора времени экологию делят на историческую и эволюционную. Кроме этого, экология классифицируется по конкретным объектам и средам исследования, т. е. различают экологию животных, экологию растений, экологию микроорганизмов и т.д.

В последнее время роль и значение биосферы как объекта экологического анализа непрерывно возрастает. Особенно большое значение в современной экологии уделяется проблемам взаимодействия человека с окружающей природной средой. Выдвижение на первый план этих разделов в экологической науке связано с резким усилением взаимного отрицательного влияния человека и среды, возросшей ролью экономических, социальных и нравственных аспектов в связи с резко негативными 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 с окружающей средой.

В связи с этим в настоящее время интенсивно развивается глобальная экология, которая занимается экологическими проблемами Земли, основным объектом изучения является биосфера как глобальная экосистема. Так же появилась и такая специальная дисциплина, как социальная экология, изучающая взаимоотношения в системе «человеческое общество – природа», и ее часть – экология человека (антропоэкология).

Современная экология имеет также тесные связи с политикой, экономикой, правом, психологией и педагогикой.

С научно-практической точки зрения экологию делят на теоретическую и прикладную. Теоретическая экология открывает общие закономерности организации жизни. Прикладная экология изучает механизмы разрушения биосферы человеком, способы предотвращения этого процесса и разрабатывает принципы рационального использования природных ресурсов.

К задачам экологии в общетеоретическом плане относят:

1. Разработка общей теории устойчивости экологических систем;

2. Изучение экологических механизмов адаптации к среде;

3. Исследование регуляции численности популяций;

4. Изучение биологического разнообразия и механизмов его поддерживания;

5. Исследование продукционных процессов;

6. Исследование процессов, протекающих в биосфере, с целью поддерживания ее устойчивости;

7. Моделирование состояния экосистем и глобальных биосферных процессов.

Основные прикладные задачи:

1. Прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий в окружающей среде под влиянием деятельности человека;

2. Улучшение качества окружающей среды;

3. Сохранение, воспроизводство и рациональное использование природных ресурсов;

4. Оптимизация инженерных, экономических, организационно-правовых, социальных и иных решений для обеспечения экологически безопасного, устойчивого развития, в первую очередь в экологически наиболее неблагополучных районах.

2. Структура экологии, Основные законы экологии

Рис. 1. Спектр уровня биологической организации по Одуму

Ген, клетка, орган, организм, популяция, сообщество –это главные уровни организации жизни.

Экология изучает уровни биологической организации от организма до экосистем. В её основе, лежит теория эволюционного развития органического мира Ч. Дарвина, базирующаяся на представлениях о естественном отборе. В упрощенном виде его можно представить так: в результате борьбы за существования выживают наиболее приспособленные организмы, которые передают выгодные признаки, обеспечивающие выживание своему потомству, которое может их развить дальше, обеспечив стабильное существование данному типу организмов в конкретных условиях среды. Если условия эти изменятся, то выживают организмы с более благоприятными для новых условий признаками, переданными им по наследству.

Материалистические представления о происхождении жизни и эволюционную теорию Ч. Дарвина можно объяснить лишь с позиции экологической науки. Поэтому вслед за открытием Дарвина (1859) появился термин «экология» Э. Геккеля (1866). Среда существования организмов была названа абиотической, а составляющие ее отдельные части (воздух, вода, почва) и факторы (свет, температура, ветер, влажность и др.) были названы абиотическими компонентами. Перечисленные факторы имели отношение к факторам неживой природы. Факторы живой природы наделены живым веществом. Взаимодействуя, друг с другом, они образуют определенные системы, где живые компоненты и среда – «единый целый организм».

Поскольку каждый отдельный индивид (особь) имеет свои специфические особенности, то и отношение их к среде обитания и воздействию различных факторов различное. Например, повышение температуры часть особей может не выдержать и погибнуть, но популяция всего вида выдерживает это за счет других более приспособленных.

Популяция – это совокупность особей одного вида. В реальной природной среде многие виды рассеяны на огромных пространствах, поэтому необходимо изучать видовые группировки в пределах определенной территории. Группировки, которые хорошо приспосабливаются к местным условиям, образуют – экотип.

В природе существуют группировки, состоящие из многих видов, они называются биологическими сообществами, или биоценозами.

Биоценоз – это совокупность совместно обитающих популяций различных видов растений, животных, микроорганизмов, ограниченных географическим пространством. Условия существования окружающей среды на определенной территории называют биотопом. Компоненты биотопа взаимодействуют между собой и оказывают воздействие на биогеоценоз (рис. 2).

Рис. 2. Схема биогеоценоза по В.Н. Сукачеву

Термин «биогеоценоз» был предложен В.Н. Сукачевым в конце 30-х гг.

Несколько раньше, английским ботаником А. Тенсли был введен термин «экосистема». Экосистема по А. Тенсли, – «совокупность комплексов организмов с комплексом физических факторов его окружения, т. е. факторов местообитания».

Особое значение для выделения экосистем имеют трофические, т. е. пищевые, взаимоотношения организмов, регулирующие всю энергетику биотических сообществ и всей экосистемы в целом. Поэтому все живые организмы делятся на две большие группы – автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофные организмы используют неорганические источники для своего существования, создавая органическую материю из неорганической. К таким организмам относятся растения, сине-зеленые водоросли и некоторые виды бактерий (хемосинтезирующие).

Гетеротрофные организмы питаются готовыми органическими веществами (животные, человек и др.). Гетеротрофы, потребляющие мертвые остатки называются сапрофитами (грибы), а живущие за счет других живых организмов – паразиты (клещи).

Все живые организмы по формам питания подразделяются на продуцентов, консументов и редуцентов.

Продуценты – это организмы-производители продукции, которой в последствии питаются все остальные организмы, это зеленые растения, водоросли производящие органические вещества из неорганических соединений.

Консументы – организмы-потребители органических веществ. Питающиеся только растительной пищей называются травоядные (корова), исключительно мясом – плотоядные (хищники), потребляющие и то и другое – всеядные (человек).

Редуценты – это организмы-восстановители. Эти организмы возвращают вещества из отмерших организмов снова в неорганическую природу, разлагая органику до простых неорганических соединений (СО₂, NО₂, Н₂О).

Организм это любое живое существо, которое отличается от неживого существа следующими свойствами: живой материей, клеточной организацией, обменом веществ при ведущей роли белков и нуклеиновых кислот, обеспечивающий гомеостаз организма – самовозобновление и поддержание постоянства его внутренней среды. Живым организмам присуще движение, раздражение, рост, развитие, размножение и наследственность, а также приспособляемость к условиям существования – адаптация.

Взаимосвязи организмов. Взаимосвязи обычно классифицируются по «интересам», на базе которых организмы строят свои отношения.

Самый распространенный тип связей базируется на интересах питания. Такие связи носят название пищевых или трофических (греч. трофо – питание). В данный тип связей выделяется питание одного организма другим или продуктами его жизнедеятельности (например, экскрементами), питание сходной пищей (например, мертвым органическим веществом). Этим типом связей объединяются растения и насекомые, опыляющие их цветки. На базе трофических связей возникают цепи питания.

Следующий тип связей носит название форических (лат. форас – наружу, вон). Они возникают в том случае, если одни организмы участвуют в распространении других или их зачатков (семян, плодов, спор). Животными это распространение может осуществляться как на наружных покровах, так и в пищеварительном тракте.

Выделяют также тип связей, которые носят название фабрических (лат. фабрикатио – изготовление). Для них характерно использование одними организмами других или продуктов их жизнедеятельности, частей (например, растений, перьевого покрова, шерсти, пуха) для постройки гнезд, убежищ и т. п.

Связи, основанные на использовании местообитаний, носят название топических (греч. топос – место). Например, топические связи возникают между животными и растениями, которые предоставляют им убежище или местообитание (насекомые, прячущиеся в расщелинах коры деревьев или живущие в гнездах птиц, растения, поселяющиеся на стволах деревьев (но не паразиты). Не только трофическими, но и топическими отношениями связаны паразиты с организмами, на которых они паразитируют.

Каждый живой организм в процессе жизни преодолевает онтогенез, который представляет собой совокупность последовательных морфологических, физиологических и биохимических преобразований.

Онтогенез включает рост организма (увеличение массы и размера тела) и дифференциацию, т. е. возникновение различий между однородными клетками и тканями, приводящее их к специализации по выполнению различных функций в организме. У организмов с половым размножением онтогенез начинается с оплодотворения клетки (зиготы). При бесполом размножении – с образованием нового организма путем деления материнского тела или специализированной клетки, путем почкования, а также от клубня, корневища, луковиц и т. п.

В процессе онтогенеза организмы проходят несколько стадий развития. Для организмов размножающихся половым путем характерны следующие стадии развития: эмбриональная (зародышевая), постэмбриональная (послезародышевая) и период развития взрослого организма.

В онтогенезе растений различают рост, развитие (формирование взрослого организма) и старение.

Одними из основных законов экологии следует считать:

Закон биогенной миграции атомов. Закон В.И. Вернадского. Количество живого вещества (биомассы всех организмов) биосферы для данной геологической эпохи постоянно.

Закон минимума. Закон Либиха. Жизненность организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей. Ю. Либих формулировал свой закон следующим образом: «Веществом, находящимся в минимуме, управляется урожай и определяется величина и устойчивость последнего во времени.

Закон необратимости эволюции. Закон Полло. Организм не может вернуться, хотя бы частично, к предшествующему состоянию, которое было уже осуществлено в ряде его предков.

Закон толерантности. Закон Шелфорда. Процветание организма ограничено зонами максимума и минимума определенных экологических факторов. Каждый вид характеризуется своей толерантностью – способностью переносить отклонения экологических факторов от оптимальных.

Закон оптимальности. Любая система функционирует с наибольшей эффективностью в некоторых характерных для нее пространственно-временных пределах.

Законы Б. Коммонера. «Все связано со всем», «Все должно куда-то деваться», «Природа знает лучше», «Ничто не дается даром»