Лекции Эк / Лекция Экология

Лекция № 1

Экология, задачи экологии. Взаимодействие организма и среды.

1. Предмет, задачи и методы экологии.

Понятие «экология» известно всякому образованному человеку, т.к. о ней сейчас говорят все: с экранов телевизоров, по радио, со страниц книг, газет и журналов. Слово «экология» на устах первых руководителей государств мира.

Впервые термин «экология» был предложен немецким зоологом Эрнестом Геккелем в 1866 г.

В буквальном смысле слово «экология» означает науку о «доме» (греч. «ойкос» - жилище, дом, «логос» - наука).

Вы изучали много разных наук, и будете изучать разные науки, без знания которых невозможно быть образованным человеком, работать на любом производстве. Без науки невозможен технический прогресс. Экология одна из таких наук.

- А что такое наука?

Наука это система знаний о законах развития природы или общества.

Например, физика – это наука об общих свойствах и законах движения вещества или поля. Химия – наука о веществах и их превращениях.

Любой человек, не будучи, например физиком по профессии, знает, что его шаг за пределы крыши дома приведет к падению вниз в силу закона всемирного тяготения. Каждый знает, чем опасно прикосновение к оголенному проводу или применение уксуса столового. Из этих знаний вытекает целая система защиты.

Таким образом, если мы не знаем законов разных наук, то в лучшем случае мы не будем способны к прогрессу, а в худшем – будем иметь аварии, катастрофы, глобальные изменения, массовые заболевания и многое другое.

Все это касается и экологии как одной из фундаментальных наук.

Как наука экология сформировалась в начале ХХ в, а в широкий обиход это слово вошло в 1960^х годах, когда стали говорить об экологическом кризисе как кризисе во взаимоотношениях человека со средой его обитания.

Изначально экология развивалась как составная часть биологической науки, в тесной связи с другими естественными науками – химией, физикой, геологией, географией, почвоведением, математикой. На данный момент – экология самостоятельная наука. В основе экологии, как и в основе всей биологии, лежит эволюционная теория Ч. Дарвина

В настоящее время большинство исследователей считают, что экология – это наука, изучающая отношения живых организмов между собой и окружающей средой, или наука о местообитании живых существ, их взаимоотношении с окружающей средой.

Человек – обычный живой организм, поэтому законы экологии справедливы по отношению к нему в той же степени, в какой они справедливы для сосны, птицы, амебы.

Таким образом, законы экологии, как и законы любой другой науки, - объективно существующие необходимые связи между природой и обществом.

Но если мы знаем закон физики, в силу которого нельзя заступать за край крыши, то, даже не будучи экологами профессионалами, мы должны знать законы экологии, чтобы в процессе своей производственной и хозяйственной деятельности не причинить ущерба окружающей нас среде, не поставить под угрозу здоровье и жизнь нас самих и наших потомков.

Предметом экологии как науки является структура связей между организмами и средой. Взаимодействие живой и неживой природы на трех уровнях: организма, группы организмов одного вида и сообщества организмов разных видов. Но природа как мы знаем, чрезвычайно разнообразна и перечисленные три уровня предмета экологии касаются самых разнообразных объектов. Например, можно изучать экологию растений, животных. Природные сообщества могут существовать в водной среде, в почвенной среде и.т.д.

Главный объект изучения в экологии – экосистемы, т.е. единые природные комплексы, образованные живыми организмами и средой их обитания.

Большое значение в современной экологии уделяется проблемам взаимодействия человека с окружающей природной средой. Выдвижение на первый план этих вопросов связано с резким усилением взаимного отрицательного влияния человека и среды, возросшей ролью экологических, социальных и нравственных аспектов, в связи с резко негативными последствиями научно технического прогресса.

Таким образом, современная экологи не ограничивается только рамками биологической дисциплины, она превращается в междисциплинарную науку, изучающую сложные проблемы взаимодействия человека с окружающей средой. Многогранность экологических проблем привела к «экологизации» многих естественных, технических и гуманитарных наук. Продолжают развиваться такие новые направления экологии, как инженерная экология, геоэкология, математическая экология, сельскохозяйственная экология, космическая экология, глобальная экология, социальная экология и т.д.

Современная экология тесно связана с политикой, экономикой, правом, психологией, педагогикой, т. к. только в союзе с ними возможно преодолеть технократическое мышление, свойственное ХХ в, и выработать новый тип экологического сознания, коренным образом меняющий поведение людей по отношению к природе.

С научно-практической точки зрения вполне обосновано деление экологии на теоретическую и прикладную:

теоретическая экология вскрывает общие закономерности организации жизни (или иначе общие закономерности взаимоотношений живых организмов и среды (включая человека как биологическое существо);

прикладная экология изучает механизмы разрушения биосферы человеком, способы предотвращения этого процесса и разрабатывает принципы рационального использования природных ресурсов. Научную основу прикладной экологии составляет система общеэкологических законов, правил и принципов.

Исходя из вышесказанного, задачи экологии весьма разнообразны:

- разработка общей теории устойчивости экологических систем;

- изучение экологических механизмов адаптации к среде;

- изучение биологического разнообразия и механизмов его поддержания;

- исследование регуляции численности популяции;

- исследование процессов, протекающих в биосфере с целью поддержания ее устойчивости;

- моделирование состояния экосистем и глобальных биосферных процессов;

- прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий в окружающей природной среде под влиянием деятельности человека;

- улучшение качества окружающей природной среды;

- сохранение, воспроизводство и рациональное использование природных ресурсов.

Экология использует широкий набор методов исследования:

- метод наблюдения и описания заключается в сборе и описании фактов;

- сравнительный метод основан на анализе сходства и различий изучаемых объектов;

- исторический метод изучает ход развития исследуемого объекта;

- метод эксперимента делает возможным изучать явления природы в заданных условиях;

- метод моделирования позволяет описывать сложные природные явления относительно простыми моделями.

А. Лотка (1923, 1925) одним из первых предложил математическую модель взаимодействия животных в системе «паразит – хозяин». В. Вольтерра позднее разработал математическую модель взаимодействия в системе «хищник – жертва», он также сделал анализ взаимоотношений между двумя конкурирующими видами. Предложенные А. Лоткой и В. Вольтеррой уравнения для моделирования таких простейших экологических систем, как «хищник – жертва», «паразит – хозяин», нашли широкое применение в экологии.

Экология как научная дисциплина появилась в учебных планах ВУЗов еще с 70^х годов прошлого века, но до сих пор не изжит вопрос: зачем нужна эта биологическая наука будущим инженерам. Экология - это естественнонаучная дисциплина, представляющая собой точную науку и необходимая каждому природопользователю в его практической деятельности во всех без исключения сферах производства и хозяйства. Многие экологические проблемы современности, включая угрозу разрушения биосферы, загрязнение окружающей среды не вызваны объективной необходимостью, а являются именно следствием незнания экологии и неумения приложить экологическую информацию к решению тех или иных сугубо производственных проблем.

Только знание экологии вооружает любого специалиста четким представлением о том, чего и почему нельзя делать, чтобы в условиях НТП не нанести ущерба настоящему и будущим поколениям людей, у которых нет, и не будет иного места обитания, кроме нашей планеты – Земли.

2. Взаимодействие организма и среды.

Организмы не могут существовать изолированно от окружающей их среды со всем многообразием ее природных условий. Среда обитания – это часть природы, окружающая живые организмы и влияющая на них. Из среды организмы получают все необходимое для жизни и в нее же выделяют продукты обмена веществ. Среда каждого организма слагается из множества элементов неорганической и органической природы. При этом одни элементы могут быть частично или полностью безразличны организму, другие необходимы, а третьи оказывают отрицательное воздействие. Живые организмы освоили четыре среды обитания: водную, наземно-воздушную, почвенную и организменную. Каждая из сред отличается особенностями воздействия и любой организм, чтобы выжить приспосабливается к этим особенностям.

Приспособления организмов к среде носят название адаптаций. Способность к адаптациям – одно из основных свойств жизни, обеспечивающее возможность ее существования. Адаптации формируются под действием трех основных фактов: наследственность, изменчивость и естественный отбор. Существует три основных пути приспособления организмов к условиям окружающей среды: активный путь (усиление сопротивляемости неблагоприятным условиям, например, поддержание постоянной температуры тела у теплокровных), пассивный путь (подчинение жизненных функций организма изменяющимся условиям, например, анабиоз) и избегание неблагоприятных воздействий (например, сезонные миграции). Обычно приспособление вида к среде осуществляется тем или иным сочетанием всех трех возможных путей адаптации. Адаптации проявляются на разных уровнях – от биохимии клеток и поведения отдельных организмов до строения и функционирования сообществ и экологических систем. Адаптации можно разделить на три типа:

- морфологические (строение, н-р, видоизменение листа у растений пустынь);

- физиологические (н-р, способность верблюда обеспечивать организм влагой путем окисления запасов жира);

- этологические (поведенческие, н-р, сезонные миграции млекопитающих и птиц, впадение в спячку). Этологические адаптации характерны для животных.

Все приспособления организмов к существованию в различных условиях выработались исторически. В результате сформировались специфические для каждой географической зоны группировки растений и животных.

Компоненты внешней среды, оказывающие прямое или косвенное влияние на живые организмы называют экологическими факторами. Факторы среды исследуются разными науками: климат – климатологией, почва – почвоведением и т.п. Но экология изучает факторы среды не сами по себе, а их влияние на организм, т. е. предлагает, как бы оценить каждый фактор с точки зрения разных организмов.

Факторы среды делятся на абиотические, биотические и антропогенные. Совокупность абиотических факторов в пределах однородного участка называется экотопом, вся совокупность факторов, включая биотические, - биотопом.

Абиотические факторы – это компоненты неживой природы, оказывающие прямое или косвенное воздействие на живые организмы. К ним относятся климатические (свет, температура, влажность, ветер, давление и др.), топографические (рельеф), эдафические (плотность, структура, рН, гранулометрический и химический состав почвы и др.), гидрологические (вода, течение, соленость, давление и др.).

Солнечный свет один из важнейших экологических факторов, т.к. он служит единственным источником энергии для фотосинтезирующих растений. Все остальные организмы в питании прямо или косвенно зависят от растений.

В процессе эволюции у растений выработалось разное отношение к освещенности. В зависимости от этого все растения делят на три большие группы: светолюбивые (мелкие листья, сильно ветвящиеся побеги, значительное количество пигментов в листьях и др.), теневыносливые (имеют переходные черты) и тенелюбивые (крупные, тонкие листья, расположенные горизонтально).

Для животных свет – это условие ориентации, для них свет как экологический фактор имеет меньшее значение, чем для растений. Существует немало видов животных, которые в течение многих поколений могут развиваться в полной темноте. Это, прежде всего, паразитирующие внутри организма и землеройные. Многие грибы и бактерии также длительное время обходятся без света. Животные бывают с дневным, ночным и сумеречным образом жизни.

По отношению к продолжительности дня организмы (в основном растения) делят на короткодневных (обитатели низких широт) и длиннодневные (обитатели умеренных и высоких широт). Реакция организмов на продолжительность дня называется фотопериодизмом. Это очень важное приспособление, регулирующее сезонные явления у организмов.

Температура – один из основных экологических факторов. От температуры окружающей среды зависит температура организмов, а, следовательно, скорость всех химических реакций, составляющих обмен веществ. В основном живые организмы способны жить при температуре от 0 до + 50 градусов С. Верхним температурным пределом жизни является 120 – 140 градусов С (выдерживают споры, бактерии), нижним – минус 190 – 273 градуса С (переносят споры, семена, сперматозоиды).

Организмы делят на организмы с непостоянной внутренней температурой тела, меняющейся в зависимости от температуры внешней среды (микроорганизмы, растения, беспозвоночные и низшие позвоночные животные) и организмы, способные поддерживать внутреннюю температуру тела на относительно постоянном уровне независимо от температуры окружающей среды (птицы, млекопитающие).

Многие виды обладают специальными приспособлениями (морфологическими или физиологическими), которые позволяют организмам выносить экстремальные температурные условия в течение длительного времени. При высоких температурах могут существовать сине-зеленые водоросли в горячих источниках Камчатки (77 градусов С).

В целом температурные условия Земли, за исключением кратеров вулканов, вполне благоприятны для практически повсеместного существования живых организмов. Естественное видовое разнообразие и численность организмов на той или иной территории определяется ее температурными условиями.

Вода – важнейший экологический фактор. Одни организмы живут в воде, другие приспособились к постоянному недостатку влаги. Вода обеспечивает протекание в организме обмена веществ и нормальное функционирование, вода главный компонент живых организмов. В верхушке растущего побега наземного растения содержится 91 – 93 % воды, листьях – 73 – 86 %, водоросли на 90 – 98 % состоят из воды, медузы на 95 – 98 %, рыбы на 70 %, млекопитающие, включая человека, - на 63 – 68 %.

Соленость среды обитания также является важным экологическим фактором. В природе преобладают организмы, приспособленные только к пресной воде или только к соленой. К важным абиотическим факторам относится барометрическое давление и состав атмосферного воздуха. Большинство живых организмов приспособлено к колебаниям давления от 700 до 780 мм рт. ст., а также к определенному составу атмосферного воздуха.

Биотические факторы – это компоненты живой природы прямо или косвенно воздействующие на живые организмы. При этом воздействие может быть внутривидовым и межвидовым. По типу взаимодействия различают протокооперацию (симбиоз), мутуализм (взаимополезное), комменсализм (нахлебничество), конкуренцию, паразитизм, хищничество, аменсализм (полезно для одного, но вредно для другого), нейтрализм. В зависимости от воздействующего организма биотические факторы делят на фитогенные (влияние растений), зоогенные (животных) и микробогенные (микроорганизмов).

Антропогенные факторы – связаны с деятельностью человека, приводящей к прямому или косвенному воздействию на живые организмы. Это охота, рыбная ловля, сбор растений, сведение лесов, сельское хозяйство, эрозия почв, загрязнение окружающей среды, изменение среды обитания организмов.

Экологические факторы могут оказать на организм прямое или косвенное воздействие. Косвенное воздействие осуществляется через другие экологические факторы. Например, высокая температура может вызвать ожог (прямое действие), а может привести к обезвоживанию организма (косвенное воздействие).

Различные экологические факторы обладают различной изменчивостью в пространстве и во времени. Одни из них относительно постоянны (солнечная радиация, соленость океана), другие очень изменчивы (температура и влажность воздуха, сила ветра).

Экологические факторы обычно действуют целым комплексом. Действие одного какого-либо фактора зависит от уровня других. Действие одного фактора не заменяется действием другого. Так свет, не может быть заменен избытком тепла или обилием углекислого газа. В комплексном действии среды факторы по своему воздействию неравноценны для организмов. Их можно подразделить на ведущие (главные) и фоновые (сопутствующие). Ведущие факторы различны для разных организмов, если даже они населяют одну территорию. В роли ведущего фактора на разных этапах жизни организма могут выступать то одни, то другие элементы среды.