Экология обзорный курс

Кашапов Р.Ш. Экология: Обзорный курс – Уфа: Изд-во БГПУ, 2001 - 28с.

В учебном пособии рассмотрены основные законы и принципы экологии, структура экосистем, круговороты вещества и энергии в Биосфере. Значительное внимание уделено наиболее крупным экологическим проблемам современности; экологии человека; вопросам рационального природопользования, концепции устойчивого развития, педагогической экологии. Даны тестовые задания для самоконтроля степени усвоения материала.

Учебное пособие адресовано студентам, а также всем желающим изучать предмет самостоятельно.

Рецензенты: Н.Г.Курамшина, д-р биол. н., проф. (БГАУ) Р.Р.Кабиров., д-р биол. н., проф.

ISBN 5-87978-139-9

©Издательство БГПУ, 2001

©Р.Ш.Кашапов, 2001

2

Введение

Вузовская программа включает вопросы практически по всем разделам современной экологии. Учебника же, где они были бы изложены достаточно кратко и просто, – нет. Это вызывает большие затруднения у студентов, особенно заочников, при самостоятельной проработке материала. Предлагаемый учебник представляет собой попытку снабдить студентов таким пособием.

Как работать с учебником?

Впервую очередь студенту необходимо внимательно ознакомиться с его структурой. Он должен получить четкое представление о минимуме умений, который должен получить в результате изучения материала, о сложностях, с которыми может столкнуться в процессе проработки содержания.

Теоретический материал в какой-то мере дополняет «Терминологический словарь», в котором даются объяснения некоторых понятий и терминов. Большим подспорьем будут «Задание для самостоятельной работы» (вопросы для подготовки к семинарскому занятию) и тестовые задания для самопроверки знаний.

Рекомендуется следующий порядок работы с учебником:

– внимательно ознакомиться с его структурой;

– проработать материал, включенный в содержание;

– подготовить письменные ответы на вопросы семинарского занятия;

– с помощью тестов самостоятельно проконтролировать степень усвоения материала, при необходимости повторно проработать плохо усвоенные вопросы;

Втех случаях, когда возникнет необходимость что-то уточнить, студент может искать ответ в источниках, помещенных в списке литературы.

Перечень некоторых умений, приобретаемых в процессе изучения материала

Рекомендации по изучению наиболее сложных вопросов

При изучении материала студент может встретиться с некоторыми затруднениями.

При знакомстве с понятием экосистемы иногда студенты упускают из виду, что это не механический набор организмов, относящихся к разным видам, а, можно сказать, тщательно подобранная совокупность представителей разных видов, занимающих данный участок земной поверхности. Они находятся в состоянии тесных взаимодействий между собой, связаны друг с другом разнообразными отношениями (в первую очередь – пищевыми), а также со средой обитания. Надо помнить, что все компоненты экосистемы одинаково важны и необходимы для ее существования.

Обсуждая вопрос об устойчивости (гомеостазе) экосистемы, надо иметь в виду, что это свойство обеспечивается набором живых организмов, и чем больше видов входит в ее состав, тем выше способность экосистемы противостоять возмущающим внешним силам.

Рассматривая вопрос о Биосфере как глобальной экосистеме, нужно помнить, что это – система с очень высокой степенью надежности, способная к эффективной саморегуляции. В гомеостазе Биосферы руководящая роль также принадлежит живому веществу. Следовательно, сокращение числа видов растений, животных, естественной растительности приводит к снижению устойчивости всей системы.

Обсуждая вопросы экологии человека, необходимо помнить, что человек – существо биосоциальное и его жизнь регулируется как биологическими, так и социальными законами и что в настоящее время биологическое вошло в противоречие с социальным.

Как социальный вид человек сильно преобразует природу, загрязняет окружающую среду, крайне ускоряет темп жизни. Но биологическое начало консервативно, оно не успевает адаптироваться к изменяющимся условиям. Это провоцирует особое состояние организма – стрессы, что в конечном счете приводит к ухудшению здоровья человека.

1. Основные законы и принципы экологии

Вводные понятия. Впервые термин «экология» был использован Э.Геккелем в 1886 г. Он понимал под экологией «общую науку об отношениях организмов к окружающей среде», изучающую взаимоотношения живых

4

организмов с окружающей их живой (органической) и неорганической средой. Одно из современных определений экологии гласит: «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» (Чернова, Былова, 1988, с. 3).

На живые организмы воздействуют факторы среды, или экологические факторы. Они делятся на абиотические, биотические и антропогенные.

Абиотическими факторами называются воздействия на организмы элементов неживой природы – различные физико-химические явления: физические факторы (температура, ионизирующая радиация, свет, плотность и подвижность среды, субстрат, давление, магнитное и гравитационное поля, невесомость), химические факторы – это содержащиеся в среде газы и соли, а также зависящая от них реакция среды (кислая, нейтральная, щелочная).

Биотические факторы – это все многообразие воздействий на организм элементов живой среды, т.е. других организмов – бактерий, растений, животных, в том числе и представителей своего вида.

Антропогенные факторы – это все формы влияния людей на отдельные организмы и живую природу в целом.

Некоторые законы экологии

Закон оптимума. Напряженность экологических факторов не остается постоянной. Она меняется в широких диапазонах в пространстве и во времени. Но организмы могут нормально существовать лишь при некоторых благоприятных их значениях. Наиболее благоприятные значения фактора называются оптимумом, а значения, при которых организмы угнетаются, называются пессимумами, при этом организм испытывает стрессы. Например, при выращивании растений, если содержать их при различных температурах, выясняется, что максимальный рост наблюдается только в определенном диапазоне температур. Это есть температурный оптимум роста. Если же температуру повышать или понижать, то рост замедляется, а при дальнейшем отклонении от оптимума растение и вовсе погибнет. Интервал температур от минимального до максимального значений, при которых возможен рост, есть диапазон выносливости (устойчивости), или толерантности (рис. 1).

Закон минимума Ю.Либиха. Этот закон гласит: «Веществом, находящимся в минимуме, управляется урожай и определяется величина и устойчивость последнего во времени». В результате последующих исследований было установлено, что лимитирует не только недостаток, но и избыток како- го-либо фактора. Поэтому процветание организма невозможно не только при недостатке, но и при избытке. Между ними находится зона экологического оптимума. Шелфорд, исходя из этого, сформулировал закон толерантности: лимитирующим фактором процветания организма может быть и минимум, и

5

– организмы-разлагатели; по способу питания – автотрофы, гетеротрофы, миксотрофы; по месту обитания – наземные, водные и т.д.

2. Экосистема

Понятие об экосистеме. Совокупность живых организмов, совместно населяющих данный участок земной поверхности и связанных разнообразными взаимоотношениями между собой и со средой обитания, называется экосистемой. Термин был предложен впервые в 1935г. экологом А.Тенсли. В современной экологии экосистема рассматривается как ее основная функциональная единица.

Структура экосистемы. Как и всякая система, экосистема характеризуется определенной структурой. Основными ее блоками являются – живая часть (биоценоз) и косная среда (биотоп).

Организмы (виды), входящие в биоценоз, объединяются в три группы: продуцентов, консументов и редуцентов.

Продуценты – это растения, способные синтезировать из простых неорганических соединений сложные органические вещества.

Консументы – животные, грибы, бактерии, то есть организмы, живущие исключительно за счет готовых органических веществ, синтезируемых растениями. Обычно различают консументы первого, второго и третьего порядков. Консументы первого порядка – это растительноядные животные (антилопа, заяц, корова и т.д.). Консументы второго порядка – это хищные животные, основу рациона которых составляют фитофаги (лев, волк, домашняя кошка и др.). Консументы третьего порядка – это хищники, питающиеся хищниками. В качестве представителя этой группы можно было бы назвать блох, живущих в шкуре льва, волка или кошки и питающихся их кровью.

Редуценты – это организмы, разлагающие продукты жизнедеятельности продуцентов, консументов, а также их мертвые остатки. В результате деятельности редуцентов сложные органические соединения разлагаются на исходные – минеральные соли, воду, газы.

В экосистеме представители видов, входящих в его состав, связаны друг с другом в так называемые пищевые цепи. В обобщенном виде пищевая цепь выглядит следующим образом: продуцент – консумент – редуцент. Конкретные пищевые цепи весьма разнообразны: трава – заяц – лисица; водное растение – карась – щука и т.д.

Экологические пирамиды. Поедая пищу, животные получают вещества, необходимые им для создания собственной биомассы, а также энергию, которая тратится на движение, размножение, поддержание нормальной температуры тела и т.д.

Исследованиями установлено, что в экосистемах только незначительная часть пищи, потребленной животными, используется для создания собственной биомассы, для увеличения массы. Эта величина в среднем не превы-

7

шает 10%. Иными словами, если заяц съел 10кг растений, то за счет этого его собственная масса увеличится только на 1кг, а поедая 1кг зайчатины, лисица увеличит свою массу лишь на 100г, или на 0,01 от биомассы растений, съеденных зайцем. Таким образом, при переходе от одного звена пищевой цепи к другому, биомасса стремительно уменьшается. Если изобразить биомассы растений, зайца, лисицы графически, то мы получим так называемую пирамиду биомасс (рис. 2)

3

2

1

Рис. 2 Пирамида биомасс (схема выполнена с соблюдением масштаба)

1 - биомасса зеленых растений; 2 – биомасса растительноядных животных; 3 – биомасса хищных животных.

В пищевых цепях энергия переносится в составе биомассы от одного звена к другому, и в каждом из них большая ее часть теряется в виде теплового излучения организма животного. В каждом звене теряется в среднем около 90% энергии, заключенной в съеденной животным пище, и только около 10% задерживается в его организме в виде энергии химических связей вновь синтезированных органических веществ. Итак, КПД организмов равен 10%.

Не съеденные растения, экскременты животных, их трупы поступают «в распоряжение» редуцентов – бактерий, грибов и т.п. В результате их деятельности, как уже было сказано выше, сложные органические вещества разлагаются на простые исходные минеральные вещества, а освободившаяся

8

энергия в виде тепловых (инфракрасных) лучей уходит в атмосферу и в конце концов покидает Биосферу – излучается в мировое пространство.

Круговорот веществ в экосистеме. Освободившиеся при разложении мертвых остатков растений и животных неорганические вещества поступают в почву. Оттуда их извлекают корневые системы растений и вновь используют для создания органических веществ в процессе фотосинтеза. Этот процесс, как известно, называется биологическим круговоротом веществ.

Особо подчеркнем: атомы химических элементов многократно вовлекаются зелеными растениями в циклы круговорота, а энергия используется ими только один раз по схеме: Солнце – зеленые растения (фотосинтез) – растительноядные животные – хищные животные – организмы-разлагатели – атмосфера. Энергия не задерживается в экосистеме и, в отличие от химических элементов, повторно не используется. Она как бы протекает через нее. Поэтому говорят, что круговорот веществ и поток энергии являются основным принципом функционирования экосистем. Круговорот веществ возможен только при непрерывном потоке энергии от внешнего источника. Таковым для Земли является Солнце.

Устойчивость экосистемы. Экосистема, как и любая другая система, существующая в стационарных условиях, находится в равновесном состоянии, то есть сохраняет постоянство взаимосвязей между компонентами и протекающих в ней процессов и стремится сохранить это состояние. При возникновении каких-либо внешних воздействий, нарушающих установившееся равновесие, процессы в экосистеме сдвигаются таким образом, чтобы нейтрализовать их влияние. После прекращения возмущающих воздействий экосистема восстанавливает нарушенное равновесие.

Вкачестве иллюстрации можно привести такие примеры. Если участок степи, в течение длительного времени использовавшийся в качестве пашни для выращивания сельскохозяйственных культур, перевести в залежный режим (то есть, перестать распахивать), то лет через 20 здесь восстанавливается степь, неотличимая от нераспахивавшейся, девственной. Точно так же на лесной вырубке со временем (через 80–100 и более лет) восстанавливается такой же лес, как и до вырубки.

Устойчивость экосистем – очень важное свойство, позволяющее им сохраняться в условиях бесконечных случайных или регулярных изменений, происходящих в окружающем мире (пожары, ураганы, наводнения, засухи или, наоборот, годы с необычно большим количеством осадков и т.д.).

Вцелом нарушение равновесия вызывают внешние силы, восстанавливает его экосистема за счет внутренних сил; при истощении внутренних резервов она разрушается или переходит в новое состояние.

3. Биосфера – глобальная экосистема

Понятие о Биосфере. Биосфера – одна из четырех оболочек Земли, охваченная жизнью поверхность планеты. Она включает также те части атмо-

9

сферы, гидросферы и литосферы, где обитают живые организмы. В атмосфере это ее нижний слой – тропосфера, в гидросфере – вся толща Океана, включая первые метры донных отложений; в литосфере нижняя граница Биосферы проходит на глубине 2 – 4км (по другим определениям – на той глубине, где температура горных пород не выше +100°С).

Термин был введен в науку австрийским геологом Э.Зюссом. Основы учения о Биосфере разработал академик В.И.Вернадский, опубликовавший в 1926г. труд «Биосфера».

Согласно учению В.И.Вернадского Биосфера – это уникальная геологическая оболочка Земли, сфера жизни, в которой определяющую роль в геохимических и энергетических процессах играют живые организмы благодаря своей способности осуществлять непрерывный обмен веществом и энергией с окружающей средой. Согласно современным воззрениям окислительная атмосфера Земли возникла в результате деятельности растений, они же поддерживают постоянным ее газовый состав; воды Мирового океана за время существования Биосферы (3 – 3,5 млрд лет) многократно прошли через живые организмы; почвенный покров (иногда его даже рассматривают в качестве самостоятельной (пятой) геосферы и называют педосферой) также возник благодаря живому веществу Земли. Океанические воды, почву, нефть и др. В.И.Вернадский назвал особым – биокосным веществом, возникшим в результате взаимодействия живого и косного вещества; он также различал биогенные вещества – горные породы (каменный уголь, известняк и т.д.), созданные благодаря жизнедеятельности организмов.

Для Биосферы характерна всеобщность взаимосвязей: все ее части, даже самые удаленные, и все компоненты тесно взаимосвязаны горизонтальными и вертикальными связями, взаимодействуют. Поэтому изменения, происходящие в одной части или в одном компоненте неизбежно сказываются на состоянии других участков и компонентов. Поэтому говорят – Биосфера является единой экосистемой.

В экосистеме, как об этом было сказано выше, осуществляется круговорот веществ и поток энергии. Это свойственно и Биосфере. Перенос вещества и энергии в процессе глобального круговорота осуществляется благодаря воздушным потокам в атмосфере, океаническим течениям, речным потокам и миграциям животных (самый яркий пример – сезонные перелеты птиц). Источником энергии является Солнце.

Как система Биосфера обладает устойчивостью, которая обеспечивается многообразием форм жизни (микроорганизмы, грибы, растения, животные) и огромным разнообразием видов (по неполным данным на Земле насчитывается около двух миллионов видов).

4. Человек и окружающая среда

Человек, так же как и любой другой вид, является порождением Биосферы. По положению в пищевой (трофической) цепи – это гетеротрофное

10