Лекции по экологии Кулеша / L_1

12

Лекция 1. Предмет, содержание и задачи экологии.

План

1).Экология, предмет и задачи курса. Возникновение и развитие экологии как науки. Экологические законы и правила.

2). Экология - основа рационального природопользования. Уровни существования живых систем. их уникальность.

3). Методы экологических исследований.

4). Многообразие природы Земли. Биогеографическое районирование.

5)Понятие биома. Экологическая карта мира

Что же это такое экология? Предмет и задачи курса.

Человек интересовался экологией с практической точки зрения с самых ранних периодов своей истории. В примитивном обществе каждый индивидуум, для того чтобы выжить, должен был иметь определенные знания об окружающей среде, о силах природы, о растениях и животных, которые его окружали. Фактически цивилизация возникла тогда, когда человек научился использовать огонь и другие средства, позволяющие ему изменять среду своего обитания. И теперь, когда человечество хочет сохранить свою цивилизацию, оно более чем когда-либо нуждается в достаточно полных знаниях об окружающей среде, поскольку основные законы природы действуют по-прежнему; рост населения и расширение возможностей воздействия на природу лишь изменили их относительное значение и усложнили зависимость от них человека.

Таким образом человек нашего времени под словом “природа” подразумевает весь окружающий его мир с мириадами бегающих, прыгающих, скачущих, ползающих, летающих и плавающих животных, с десятками тысяч растений - от одноклеточных водорослей до гигантских секвой, со множеством ландшафтов — от вечных льдов до тропических лесов.

Однако для прочих тварей, обитающих на нашей планете, “природа” — это нечто совсем иное. Так, например, для пресноводной черепахи “природа” — это всего лишь тот участок ручья или пруда, где она родилась, для личинок какого-нибудь вида мух — это теплый источник, причем обязательно с определенной температурой воды, для карликовых растений вроде оленьего мха — это каменистая тундра, именно каменистая и никакая другая. Те или иные виды грибов растут как вы знаете только в присутствии “своих” видов деревьев.

У каждого живого существа есть свой “дом”, с которым оно связано множеством невидимых нитей. Это различные физические условия, встречающиеся на поверхности нашей пестрой и непрерывно меняющейся планеты, а также отношения — дружественные, враждебные или даже безразлично-нейтральные — между видами живущими бок о бок друг с другом. К числу таких связей относятся также и взаимоотношения особей с любыми компонентами окружающей среды: с почвой по которой они передвигаются и в которой устраивают свои жилища: с воздухом, котором дышат и в котором летают: с дождем и солнечным светом. Хотя казалось бы обитатели горных вершин, пустынь и океанов внешне имеют мало общего и ведут совершенно разный образ жизни, в действительности все они подвласны одним и тем же экологическим законам.

Некоторые из взаимоотношений живых существ с окружающей средой очевидны; общеизвестно, например что медоносные пчелы, взаимодействуя с цветами, способствуют их опылению, а значит и образованию семян. ( Пример птицы, питающиеся ягодами). Однако многие взаимосвязи в мире живого представляются крайне запутанными и непонятными. (Муравьи рабовладельцы, почему киты выбрасываются на сушу, непонятные вспышки численности ). Не всегда легко разделить растения и животных, с одной стороны, и среду их обитания — с другой, поскольку живые существа, используя среду как источник пищи и убежище, способствуют ее формированию, так без органических веществ, производимых живыми организмами, не существовало бы почвы — была бы лишь смесь мертвых минеральных частиц. Возникшая почва в свою очередь в значительной мере определяет состав произрастающих на ней растений, а растения как известно являются источником существования животных. Все круг замкнулся. А что же человек?

Человек — единственное создание природы, которое, на первый взгляд, не подвласно экологическим законам, поскольку может существовать почти в любой точке земного шара. Ему всегда необходимы воздух, питьевая вода, пища и одежда. Все это он либо берет непосредственно у дикой природы, либо выращивает на своих полях и пастбищах и запасает впрок. И все же, сколь ни впечатляющи достижения человека, в действительности он никогда не покидал своей экологической ниши или образно говоря своего дома. Человек происходящий якобы из обезъяноподобных предков, обитавших в тропических лесах примерно 2 миллиона лет назад, к настоящему времени расселился по всей поверхности Земли, хотя большая часть человечества обитает между 50^о северной и несколькими градусами южной широты.

Итак в связи с вышесказанным достаточно точно экологией можно назвать изучение взаимоотношений живых существ между собой и c окружающей их, естественной средой, т.е. экология это наука, изучающая отношения организмов с окружающей средой. В буквальном смысле экология — это наука об организмах “у себя дома” .

Предмет экологии — это совокупность или структура связей между организмами и их средой. т.е. изучается действие факторов среды на отдельные индивидуумы и популяции.

Для долгосрочного употребления лучшим определением этого обширного по объему понятия будет наиболее краткое и наименее специальное а именно предмет экологии это “биология окружающей среды”. Как остроумно заметил выдающийся американский эколог Юджин Одум “биология становится экологией, когда задается вопрос “какие” и “сколько”.

Как самостоятельная дисциплина она возникла в середине 19 века, но превратилась в самостоятельную науку примерно на стыке 19 и 20 веков. Однако еще в древних египетских, индийских, китайских и особенно европейских письменных источниках VI-II вв. до нашей эры можно обнаружить сведения об образе жизни и даже изменениях численности животных и растений. Аристотель классифицировал животных по образу жизни, по способу питания. Широко известны “Естественная история” Плиния Старшего и сочинения других античных философов, где многие явления природы характеризуются с подлинно экологических позиций. И хотя эти описания носили наивный, порою даже фантастический характер они, безусловно сыграли положительную роль в истории экологии. Как известно, в средние века науки о живой природе развивались крайне медленно из-за религиозного догматизма и схоластики тем не менее интересно привести некоторые “экологические” исторические документы: “Грамота Людовика Баварского, которая датируется 1328г. Тяжкий штраф ждет того, кто поймает синицу, усердного ловца насекомых,” Тот кто нарушил этот запрет должен был уплатить королевскую подать: 60 шиллингов, красивую рыжую курицу и 12 цыплят”. Указа русского царя Алексея Михайловича в 1675г, удостоилась крупная и жирная ряпушка ( рыба семейства сиговых, на Беларуси известная как “силява”) из озера Плещеева (Переяславь-Залесский), так называемая “переяславская сельдь”. Обеспокоенный состояние ее запасов царь Алексей Михайлович писал переяславскому воеводе “А буде твоим недосмотром рыбные ловцы учнут сельди ловить частыми неводами, а нам великому государю, учинится про то ведомо или в присылке на наш обиход и на торгу объявятся мелкие сельди, и тебе за то от нас великого государя, быть в опале, а старосте и рыбным ловцам в смертной казни”. По-видимому столь крутые и несколько диковатые меры возымели свое действие, на несколько веков потому, что переяславская сельдь славилась на Руси вплоть до начала 20 века.

Особый период наступил в период Великих географический открытий. Естествоиспытатели XVII-XVIII века (К. Линней, Бюффон, Паллас, Ламарк, Кювье) по существу заложили основы экологии.Возникновение и развитие органического мира на Земле, распространение и образ жизни растений и животных они рассматривали в зависимости от природных условий. Идеи Уоллеса,и Ч.Дарвина оказали решающее влияние на развитие экологии, основы которой как самостоятельной науки сложились в середине 19 века. Кто именно вел термин экология, остается неясным до сих пор, но впервые употребил знаменитый немецкий биолог Эрнст Геккель в 1868 г в своем знаменитом труде "Всеобщая морфология", образовав его от греческого слова oikos, что означает дом или жилище:”Под экологией мы понимаем сумму знаний относящихся к экономике природы: изучение всей совокупности взаимоотношений животного с окружающей средой, как органической, так и неорганической прежде всего — дружественных, враждебных отношений и с теми животными и растениями, с которыми он прямо или косвенно вступает в контакт". Особое значение для становления этой науки оказало учение о биосфере, живой оболочке Земли в которой сосредоточена жизнь и взаимодействие этой жизни со средой обитания.Огромный вклад в учение о биосфере внес известнейший российский ученый и скажем так украинский ученый, основатель и первый президент Украинской Академии наук В.И.Вернадский. Далее развитие экологии связано с исследованием сообществ организмов как единого целого, находящего во взаимосвязи со средой обитания привело к выработке таких понятий как экосистема и биогеоценоз. Это работы английского ботаника А.Тэнсли (1935-38гг) и российского ботаника В.Н.Сукачева (1940-1944). Введение понятий экосистема и биогеоценоз способствовало изучению эколого-геохимической проблемы круговорота веществ. К 1950-60 годам экология как наука приобрела самостоятельность, выработав понятийный аппарат и основные концепции. Однако к концу 60-х годов резко возрос общественный интерес к состоянию окружающей среды в связи с неблагоприятными для человечества последствиями ее загрязнения и истощения природных ресурсов в результате нерационального их использования и охраны. И решающее значение для осознания важности экологии как науки, знание и соблюдение законов которой имеет ключевое значение для выживания человека в современных условиях среды явилась Чернобыльская катастрофа.

В рамках биоэкологии до недавнего времени все было довольно ясно. Однако современная жизнь диктует о необходимости выделения нового уровня взаимоотношений человека, общества и природы. Практически все глобальные проблемы современного мира — промышленные, сельскохозяйственные, политические, экономические, культурные и мировоззренческие оказались так или иначе экологическими проблемами.( Экология города, инженерная экология, рекреационная экология, археоэкология, историческая экология главное здесь не переборщить). Глобальная экология — учение об экосфере Земли как планеты, взаимодействующей с биосферой, явно выходит за рамки биологии.

Причисление к экологическому циклу наук об охране природы и охране окружающей человека среды сделало экологическое знание весьма обширной совокупностью дисциплин. Политизация экологических проблем выдвинула понятия экоразвития, экополитики, экологической безопасности. Связь их с экономикой определила появление гибридных эколого-экономических дисциплин. Само природопользование приобрело экологическую окраску. Вещественно-культурные и воззренческие ценности, воздействующие на человека, такие как архитектурная, ландшафтная среда, аудиовизуальные, литературные и подобные им богатства стали предметом так называемой экологии культуры. Термин ввел академик Лихачев. Как научная дисциплина — экология культуры призвана исследовать культурную среду обитания человека, ее формирование и воздействие на людей. Это влияние может распространиться на организм человека и на его личность. В последнем случае экология приобретает социально-идеалогическую окраску. То есть мы уже вышли за строгие рамки науки и вторглись в сферу мировоззрения, экологизации знания и идеологию. В этом безусловно специфика современной экологии. Она из строго биологической науки на наших глазах превращается в значительный цикл знания вобрав по сути дела в себя разделы практически всех известных научных дисциплин. Потеряла ли себя при этом собственно сама экология? Вероятно, нет. Она лишь расширила свой предмет за пределы биоэкологии. По общественной значимости скажем так она выросла из коротких штанишек, надетых на нее Геккелем. Но мировая наука, ее формальные институты не признали экологию в таком современном понимании и встретили я бы сказал в штыки, прикрывшись ею же как модным жупелом. Цикл дисциплин о выживании человечества ( что может быть актуальнее) как ни странно не получил абсолютного права на гражданство пока.

Глубинная причина этого явления, как кажется в том, что “большой” экологии собственно и нет как единого целого. Имеется масса проблем, есть изначальная проматерь в виде биоэкологии и ничего более. Прежде всего нет фундаментальных теоретических основ. А раз так то к такой экологии легко примкнуть, даже ничего в ней не смысля. И таких самозванцев очень много. Все стали “экологами”. Такого взрыва профанации знания не было еще в истории человечества. Утерян даже смысл структуры экологического цикла наук. Раз все “экологи”, то почти все стали называть “экологией” и охрану природы и охрану окружающей человека среды. Это два разных понятия. Охрана природы “заходит” со стороны биосферных процессов, естественных ресурсов, их сохранения и развития для человечества, с позиций той самой “большой экологии”, о которой я говорил. А охрана окружающей человека среды концентрирует свое внимание прежде всего на потребностях самого человека, идет от него и непосредственно окружающей его среды — природной, социальной и техногенной. Нет сомнения, что это единый комплекс прикладного знания экологического цикла. Но экология ли это в собственном смысле слова? Очевидно, что нет. Экология как таковая — лишь фундаментальная основа для природоохранного и средоохранного знания, основа неотъемлемая и совершенно необходимая.

В экологии существует ряд законов, принципов и правил с которыми мы ознакомимся далее. Ю.Одум в широкоизвестной у нас книге “Основы экологии”, 1975 перечисляет 66 основных экологических принципов и концепций. И.И.Дедю в своем экологическом словаре приводит 50 законов 38 правил и 36 принципов, связанных с экологией. Известный эколог Николай Федорович Реймерс (1994) в своей книге приводит 60 обобщений на уровне законов, 28 правил и 23 принципа.

Все они упоминают законы Коммонера, который в своей работе “Замыкающийся круг”, изданной в 1971 сформулировал на его взгляд 4 основных экологических закона, с которыми я считаю будет полезно вас ознакомить. В краткой форме они звучат так: 1) - Все связано со всем ( всеобщая связь процессов и явлений в природе); 2) - Все должно куда-то деваться (любая природная система может развиваться только за счет использования энергетических и информационных возможностей окружающей ее среды); 3) - Природа “знает” лучше ( пока мы не имеем абсолютно достоверной информации о механизмах и функциях природы, мы легко можем навредить природе, пытаясь ее улучшить); 4) - Ничто не дается даром (глобальная экосистема представляет собой единое целое, в рамках которого ничто не может быть выиграно или потеряно, не может быть объектом всеобщего улучшения; все извлеченное в процессе человеческого труда должно быть возмещено).

И, на мой взгляд по крайней мере два важнейших принципа, которые, особенно экологу или любому человеку, который прямо или косвенно связан экологическими проблемами следует помнить всегда. “Экологическая ниша, т.е. место вида в природе обязательно заполняется” примеры вредителей с.хоз. Некоторые ученые высказывают предположение, что правила обязательного заполнения экологических ниш служит возникновение новых заболеваний. Так СПИД был предсказан за десять лет до выявления болезни как гриппоподобный вирус с высоким процентом летального исхода. Основанием для предсказания служило то, что победа над многими инфекционными заболеваниями человека освободила экологические ниши, которые неминуемо должны быть заполнены. И второй принцип “В ходе эксплуатации природных систем нельзя переходить пределы, позволяющие этим системам сохранять свойства самоподдержания (самоорганизации и саморегуляции). Например: В конце 80-х годов одно из государств Юго-Восточной Азии — Бангладеш весьма успешно зарабатывало валюту, экспортируя лягушачьи ножки. Общий объем прибыли достигал 10 млн. долларов в год. Однако вскоре этому государству пришлось затратить значительно большие суммы на “смягчение” весьма неблагоприятных экологических последствий подобного бизнеса. Из-за катастрофического снижения численности лягушек, численность мух и комаров ( среди которых были переносчики малярии) возросла до такой степени, что потребовалось закупать дорогостоящие инсектициды.

Уровни существования живых систем. их уникальность.

Вероятно, лучше всего можно определить содержание современной экологии исходя из концепции уровней организации, которые составляют своего рода биологический спектр.

Сообщество, популяция, организм, орган, клетка и ген - главные уровни организации жизни. Взаимодействие с физической средой (энергией и веществом) на каждом уровне обуславливает существование определенных функциональных систем.

Экология изучает преимущественно те системы, которые расположены в левой части приведенного спектра, т.е. системы выше уровня организма.

Термин популяция ( от латинского populus - народ), первоначально применявшийся для обозначения групп людей, в экологии приобрел более широкое значение и относится к группе особей любого вида организмов. Точно также сообщество в экологическом смысле (иногда говорят “биотическое сообщество) включает все популяции, занимающие данную площадь. Сообщество и неживая среда функционирует совместно как экологическая система, или экосистема. Сообществу и экосистеме приблизительно соответствует часто употребляемые в европейской и особенно в российской литературе термин биоценоз и биогеоценоз соответственно. Самая крупная и наиболее близкая к идеалу “самообеспечения” биологическая система, известная человечеству это биосфера, или ее еще иногда называют экосферой. Она включает все живые организмы Земли, находящиеся во взаимодействии с физической средой Земли.

Ни один из этих уровней в общем нельзя считать более или менее важным или менее заслуживающим внимание чем другой, так же как считать, что один уровень поддается легче количественному изучению чем другой. Например, рост и метаболизм можно успешно изучать на клеточном уровне и на уровне экосистемы, используя различные методы и единицы измерения. Кроме этого данные полученные при изучении одного уровня помогают изучению другого уровня, но помощью этих данных никогда нельзя полностью объяснить явления происходящие на другом уровне. Это очень важное положение, поскольку иногда приходится слышать утверждение, скажем, что бесполезно работать со сложными объектами типа популяций, пока не будут изучены более мелкие единицы. Иными словами, не все свойства более высокого уровня можно предсказать зная только характеристики относящиеся к более низкому уровню. Нельзя предсказать свойства воды по свойствам кислорода и водорода. Для эколога я хочу это подчеркнуть особенно важен принцип функциональной интеграции, согласно которому при усложнении структуры возникают дополнительные свойства. Еще в античное время была сформулирована аксиома: целое больше суммы его составляющих, или аксиома эммерджентности: целое всегда имеет особые свойства, отсутствующие у его частей подсистем и не равно сумме элементов, не объединенных системообразующими связями. При сложении системного целого образующаяся интеграция иным законам. Образно говоря одно дерево еще не лес, как и просто группа деревьев.

В итоге можно сказать, что в экологии объективно выделяются подразделения, изучающие органический мир на уровне особи, популяции, экосистемы ( биогеоценоз) и биосферы. В этой связи иногда экологию еще делят на аутэкологию и синэкологию.

Аутэкология изучает индивидуальные организмы или отдельные виды. Обычно при этом особое внимание уделяется жизненным циклам и поведению как способам приспособления к среде.

Синэкология изучает группы организмов, составляющие определенные единства.

Например, если изучается отношение белого дуба ( одного дерева или одного вида в целом) или певчего дрозда ( одной особи или вида ) к окружающей среде, то исследование по своему характеру аутэкологическое. Если же изучается лес во всем своем многообразии биотических связей в котором растет этот дуб или живет дрозд, то подход будет синэкологическим. То есть во втором случае изучается картина в целом ( т.е. если продолжить аналогию с живописью — изучается композиция). Это чисто условное подразделение, важно уловить принцип. Завершая этот раздел необходимо сказать, все о чем шла речь относится только части современной экологии — биоэкологии

Какие же методы экологических исследований.?

Это полевые лабораторные и экспериментальные исследования. Экология как вы уже знаете, своим объектом исследований имеет не единичных особей а группы особей, популяции и их сообщества. Многообразие связей обуславливает разнообразие методов экологических исследований. Однако первостепенное значение для эколога имеют полевые исследования, т.е. исследование живых организмов в естественной обстановке. Один из лучших способов начать изучение экологии — исследовать маленький пруд, лужайку или заброшенное поле. Фактически любая площадка получающая солнечное или искусственное освещение, даже газон, цветочный ящик под окном или лабораторная культура могут сыграть роль “морской свинки” при первоначальном изучении экосистем. Иными словами, практическое или лабораторное изучение эклоги не начинается с обширного леса или океана. В этой связи нельзя не напомнить, что более 140 лет назад в 1952 г профессор Московского Университета, один из основоположников экологических исследований Карл Рулье писал: “ Приляг к лужице, изучи подробно существа — растения и животных, ее населяющих в постепенном развитии и взаимно непрестанно перекрещивающихся отношениях организации и образа жизни и ты для науки сделаешь несравненно больше, нежели многие путешественники “.

Однако наблюдения полевые не могут дать вполне точных ответа, например, на вопрос какой же фактор среды определяет характер жизнедеятельности особи, популяции. На этот вопрос можно ответить с помощью эксперимента. (Температурная выживаемость, пороговые температуры).

Остановлюсь только на некоторых важнейших экологических методах изучения растений и животных. На Брюссельском международном ботаническом конгрессе за основную единицу растительного покрова была принята ассоциация. Хотя ее определение уточняется и до сих пор. Чаще всего ассоциацию называют по двум господствующим растениям. Бор-брусничник, Бор-зеномошник, или если нет возможности выделить два типичных растения по господствующим видам : ельник сфагново-травяной или сосновый бор-черничник с моховым покровам. Специальным методом исследований ассоциаций является закладка и описание пробных площадей и учетных площадок. Размеры пробных площадей для травяных сообществ колеблются в пределах от 1 до 100 м² , а лесов и больше. Составляется список растений их видовая принадлежность, учитывается из сырая и сухая биомасса. Вместе с описанием пробных площадей описывается и их геоботанический профиль, производится хозяйственная оценка ассоциации, наличие полезных и вредных растений, а в лесах бонитировка древостоя. Завершающим этапом изучения растительных ассоциаций служит геоботаническое картирование, зачастую с применением аэросъемки.

При изучении животных, так же как и растений, важно знать условия среды и биологические связи между животными. Одной из важнейших черт экологических исследований животных является изучение их питания, размножения, возраста в популяции.

Учет численности. Экологические модели.

Какие же проблемы современной биоэкологии? Пока количество населения Земли и его влияние на биосферу не возросли до современного уровня, круговорот веществ поддерживал стабильное состояние биоценозов. Отсюда самая приоритетная, важнейшая задача и проблема современной экологии это: 1).Разработка механизмов сохранения и поддержания биологического разнообразия. Ибо биоразнообразие это гарант сохранения стабильности экологических систем. ---- объяснения, Этому важнейшему направлению скажем так подчиняются решения следующих задач: 2). Проблема биологического регулирования, это как следствие сохранения биологического разнообразия. Необдуманные действия человека как правило вызывают сильные колебания биоценозов, приводящие к резкому нарушению стабильности и даже к деградации экологических систем. (Примеры — Ямайка и мангусты, Восточная Африка и леопарды, кризис района Аральского моря, сельхозпосевы. Сюда же входят и ряд проблем по биологической регуляции вредителей сельхозпосевов, колорадский жук и серая куропатка и посевы табака, насекомые фитофаги — Так, массовое размножение завезенного в Австралию кактуса опунции помогли подавить гусеницы бабочки кактусовой огневки), 3). Решение задач биологической очистки среды. В современных условиях человек загрязняет среду прежде всего отходами производства. При этом возможности природы в переработке этих отходов значительно сокращаются. Я не беру различного рода установку фильтров и очистных сооружений а речь идет о подборе живых механизмов утилизирующих эти отходы, 4). Определение биологической продуктивности, рационального использования и охраны растительных и животных ресурсов. Эта проблема заключается в том, чтобы на научной основе сбалансировать расходование биологической продукции, чтобы не допустить истощение того или иного природного ресурса. Множество примеров есть такой необдуманной хозяйственной деятельности.

Многообразие природы Земли. Биогеографические области Земли.

Всегда существует по крайней мере одна, а чаще нескольких серьезных причин, по которым то или иное животное или растение обитает на данной территории. И если какой либо вид не встречается там, где живут близкие ему виды, то и для этого также имеются достаточно веские основания. Препятствовать его проникновению туда могут либо такие преграды, как высокие горные хребты, океаны, либо наоборот недостаток влаги, отсутствие необходимой пищи и т.д. Бывают, наоборот такие благоприятные климатические и другие условия для обитания того или иного вида а его там нет. Это может объясняться отсутствием другого вида от которого зависит существование первого. Хорошим примером такой ситуации является распространение аконита: это растение опыляется исключительно шмелями и поэтому никогда не встречается там где шмелей нет.