Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Общая экология_вопросы.doc
Скачиваний:
19
Добавлен:
03.06.2015
Размер:
588.29 Кб
Скачать
  1. Экология как наука. Связь экологии с другими биологическими науками. В начале XX в. сформировалась новая биологическая наука — экология. В переводе с греческого — это «наука о местообитании». Экология — это наука о взаимоотношениях организмов, сообществ между собой и с окружающей средой.

Экология – комплексная наука, изуч. Законы существования живых систем и их взаимодействие с окружающей средой. Сам термин «экология» был введен в науку в 1866 г. видным немецким биологом Э. Геккелем. По Р.Дажо: Экология – наука, изучающая условия существования живых организмов и взаимосвязи между организмами и средой, в которой они обитают. Задачи экологии: а) изучение законов и закономерностей взаимодействия организмов со средой обитания; б) изучение формирования и структуры систем (популяций, биоценозов, биогеоценозов). в) изучение законов и закономерностей взаимодействия надорганизменных биологич. систем, биогеоценозов с окр. средой. Уровни жизнеобразования: а) молекулярный ур. – вирусы; б) клеточный ур. (прокариоты) – одноклеточные со всеми признаками живой материи; в) организменный ур.; г) популяционный (популяционно-видовой); д) биоценотический, биогеоценотический; е) биосферный. Объект изучения: живые системы. Цели: а) разработка оптимальных путей взаимодействия общества и природы с учётом законов существования; б) прогнозирование последствий влияния общества на природу. Методы: а) полевые (изучение жизни организмов и их сообществ в естественных условиях, т. е. длительное наблюдение в природе с помощью различной аппаратуры); б) экспериментальные (эксперименты в стационарных лабораториях, где имеется возможность не только варьировать, но и строго контролировать влияние на живые организмы любых факторов по заданной программе); в) моделирование биологических явлений, т. е. воспроизведение в искусственных экосистемах различных процессов, происходящих в живой природе (посредством моделирования можно изучить поведение любой системы с целью оценки возможных последствий применения различных стратегий и методов управления ресурсами, т. е. для экологического прогнозирования). Экологию по размерам объектов изучения делят на: а) аутэкологию (особи, организм и его среда), демэкологию, или популяционную экологию (популяция и ее среда); б) синэкологию (биотическое сообщество, экосистема и их среда); в) географическую, или ландшафтную, экологию (крупные геосистемы, географические процессы с участием живого и их среды); г) глобальную экологию (мегаэкология, учение о биосфере Земли). Биоэкология: аутоэкология + демэкология + синэкология. Положение экологии среди других биологических

наук (no H. П. Наумову, 1963):

Общие науки

Частные науки

Комплексные

Систематика

Морфология

Физиология

Экология

Генетика

Биогеография

Эволюционное учение

Микробиология

Ботаника

Зоология

Антропология

Гидробиология

Почвоведение

Паразитология

Общие биологические науки изучают весь органический мир в строго определенном направлении. Каждая из этих наук может, в свою очередь, подразделяться на части. Частные науки изучают конкретные объекты органического мира всесторонне. Так, микробиология изучает систематику, морфологию, физиологию, экологию микроорганизмов. При этом частные науки, в свою очередь, могут быть расчленены. В основе комплексных наук лежит изучение условий жизни организмов. В них значительно шире и глубже развиваются экологические идеи, доминирует экологический подход при изучении конкретных явлений. Так, гидробиология изучает систематику, морфологию (общие науки) животных, растений, микроорганизмов (частные науки), обитающих только в водной среде.

Экология как общая биологическая наука также может быть расчленена на составные части: экологию растений, экологию насекомых, экологию лесных пород и т. д.

  1. Динамика возрастной структуры популяции. Значение анализа возрастной структуры. Популяция – совокупность особей одного вида, занимающих определённую территорию, в проделах ареала вида, свободно скрещивающихся друг с другом и в той или иной степени изолированных от других популяций. Ценопопуляция - совокупность особей вида в пределах одного фитоценоза, занимающего определённое местообитание. Характеристика популяций: Численность – общее число особей в популяции; Плотность – число особей на единицу площади или объёма, которую мы выбираем для учёта; Структура – соотношение частей. Структура бывает: - демографическая (возрастная): соотношение разных возрастных групп в популяции; - половая: соотношение особой разных полов; - пространственная: размещение особей в пространстве; - этологическая (поведенческая): отражает разнообразные формы совместного существования особей в популяциях (одиночная, семейная, стайная, стадная, колониальная). Динамика популяций — это процессы изменений ее основных биологических характеристик во времени. Динамика, состояние и воспроизводство популяций согласуются с их возрастной и половой структурой. Возрастная структура отражает скорость обновления популяции и взаимодействие возрастных групп с внешней средой. Она зависит от особенностей жизненного цикла. В жизненном цикле особей обычно выделяют три возрастных периода: предрепродуктивный, репродуктивный и пострепродуктивный. Для растений характерен еще период первичного покоя, который они проходят в стадии покоящихся семян. Каждый из периодов может быть представлен одной (простая структура) или несколькими (сложная структура) возрастными стадиями. Простой возрастной структурой обладают однолетние растения, многие насекомые. Сложная структура характерна для разновозрастных популяций деревьев, для высокоорганизованных животных. Чем сложнее структура, тем выше приспособительные возможности популяции. Соотношение возрастных групп в структуре популяции характеризуют ее способность к размножению и выживанию, и согласуется с показателями рождаемости и смертности. В растущих популяциях с высокой рождаемостью преобладают молодые (рис. 2), еще не репродуктивные особи, в стабильных – обычно это разновозрастные, полночленные популяции, у которых регулярно определенное число особей переходит из младших возрастных групп в старшие, рождаемость равна убыванию населения. В сокращающихся популяциях основу составляют старые особи, возобновление в них отсутствует или совсем незначительно. Значение исследований возрастной структуры популяций. По возрастному спектру оцениваются способность популяции к самоподдержанию численности и ее устойчивость к внешним воздействиям. Чем сложнее возрастной спектр, тем устойчивее воспроизводство популяции. Анализ возрастной структуры позволяет прогнозировать численность популяции на ряд ближайших лет, что применяется, к примеру, для оценки возможностей промысла рыбы в охотничьем хозяйстве, в некоторых зоологических исследованиях. Половая структура отражает соотношение полов популяции; этот показатель особенно важен для видов с преобладающим половым размножением. Возраст и условия наступления половой зрелости самцов и самок оказывают существенное влияние на поддержание численности популяции. Самцы и самки нередко по-разному проявляют себя в сообществе через своеобразное питание, ритм жизни и поведение.

Возрастная структура отражает не только соотношение различных возрастных групп в популяции, но и то, как меняется это соотношение в разные сезоны года, при смене биогеоценозов; определяет, какова скорость обновления популяции и каково взаимодействие возрастных групп с окружающей средой…

  1. Системный подход в экологии. Принципы иерархичности и эмерджентности. Системный подход:

а) отыскание возможных вариантов решения;

б) определение последствий использования каждого из возможных вариантов решения;

в) применение объективных критериев, которые указывают, является ли одно решение более предпочтительным, чем другие.

Положения, которые необходимо учитывать при системном анализе:

а) процесс принятия решения должен осуществляться таким образом, чтобы используемые способы выбора решения можно было оценить, улучшить или заменить;

б) критерии оценки решения должны быть четко сформулированы;

в) усилия, затраченные на выявление связей между причинами и следствием, должны быть оправданы лучшим пониманием проблемы. Основные определения системного подхода: Система – упорядоченные взаимодействующие и взаимозависящие компоненты, образующие единое целое; Структура – способ взаимодействия элементов системы посредством определённых связей; Процесс – динамическое изменение системы во времени; Функция – работа элемента в системе; Состояние – положение системы относительно других её положений; Системный эффект - такой результат специальной переорганизации элементов системы, когда целое становится больше простой суммы частей; Структурная оптимизация — целенаправленный итерационный процесс получения серии системных эффектов с целью оптимизации прикладной цели в рамках заданных ограничений.

Основные принципы системного подхода: Целостность - обобщенная характеристика системы, свойства которой несводимы к сумме свойств ее элементов и не-выводимы из этих свойств (целостность организмов более полной будет в популяции, популяции — в биоценозе и т. д., и свойства каждой системы несводимы к свойствам нижестоящих); Структурность — установление структуры и взаимозависимости структурных элементов, обусловленности поведения системы ее структурой (структура биоценоза, трофическая структура экосистемы и установление измеримых связей между трофическими уровнями, и др.); Взаимозависимость (Эмерджентность) системы и среды выражается в формировании и проявлении ее свойств в результате их взаимодействия (взаимодействие биоценоза и биотопа, популяций в биоценозе и т. п.) Иерархичность - это когда каждый компонент системы может рассматриваться как самостоятельная система, а сама исследуемая система является составной частью более широкой системы (уровни биологической организации, вплоть до глобальной системы — биосферы); Множественность – использование множества кибернетических , экономических и математических моделей для описания отдельных элементов и системы в целом. Моделирование — это разработка, исследование модели и распространение модельной информации на оригинал (Лиепа, 1982). Достоинства моделирования проявляются там, где возможности традиционного подхода оказываются ограниченными.

Модель должна соответствовать двум требованиям: 1) она должна отражать лишь те особенности оригинала, которые выступают в качестве предмета познания, и 2) она должна быть адекватна оригиналу. "Сам процесс моделирования, по И. Я. Лиепа (1982), можно разделить на четыре этапа: качественный анализ, математическая реализация, верификация и изучение моделей. Эмерджентность – это наличие у целостной системы особых свойств, не присущих ее подсистемам или элементам. Суть принципа эмерджентности заключается в том, что свойства целого невозможно свести к сумме свойств его частей. Хотя данные, полученные при изучении какого-либо уровня, помогают при изучении следующего, с их помощью никогда нельзя полностью объяснить явления, происходящие на этом следующем уровне; он должен быть изучен непосредственно (Определенные водоросли и кишечнополостные животные, эволюционируя совместно, образуют систему кораллового рифа, возникает эффективный механизм круговорота элементов питания, позволяющий такой комбинированной системе поддерживать высокую продуктивность в водах с очень низким содержанием этих элементов. Следовательно, фантастическая продуктивность и разнообразие коралловых рифов — эмерджентные свойства, характерные только для уровня рифового сообщества). Эмерджентные свойства возникают в результате взаимодействия компонентов, а не в результате изменения природы этих компонентов! Части не «сплавляются», а интегрируются, обусловливая появление уникальных новых свойств.

  1. Биоценоз. Структура биоценоза. Биоценоз – комплекс совместно живущих и связанных друг с другом популяций разных видов организмов (К. Мебиус, 1877). В биоценоз входят такие компоненты как растительный (фитоценоз), животный (зооценоз); микроорганизмы (микробоценоз), водоросли (альгоценоз), грибы (микоценоз), а также, взаимодействуя с компонентами биоценоза (растениями, микроорганизмами и др.), почва и грунтовые воды образуют эдафотоп, а атмосфера — климатоп, а компоненты, относящиеся к неживой природе, образуют косное единство — экотоп. Относительно однородное по абиотическим факторам среды пространство, занятое биоценозом, называют биотопом. Биоценоз и биотоп оказывают друг на друга взаимное влияние, выражающееся главным образом в непрерывном обмене энергией как между двумя составляющими, так и внутри каждой из них. Территориально биоценоз определяется границами фитоценоза, так как фитоценоз образует первичное органическое вещество. В 1964 г. В.Н. Сукачёв предложил термин биогеоценоз – совокупность живых организмов, занимающих определённую территорию и взаимодействующих между собой и окружающей средой. Биоценоз определяется по распространению образующих видов. Видовая структура биоценоза: а) доминанты - определяют основную структуру и связи в биоценозе (многочисл.); б) кодоминанты/эдификаторы (средопреобразователи) – в значительной степени изменяют среду в биоценозе (малочисл.); в) ассектаторы – почти не оказывают влияния на среду (редкие). Малочисленные виды виды представляют собой резерв биоценоза (экотон). Структура биоценоза и схема взаимодействия

между его компонентами (по В. Н. Сукачеву, 1940): Опушечный эффект – на границе биоценоза видовое разнообразие выше, чем на граничащих территориях. Выделяют видовую, пространственную и экологическую структуру биоценоза.

Под видовой структурой биоценоза понимают разнообразие составляющих его видов и соотношение их численности или массы. Видовое разнообразие биоценоза зависит от разнородности среды обитания и возрастает на границах биотопов. Для оценки количественного соотношения видов биоценоза используют различные индексы или процентное соотношение (Д, Э, А). Показатели оценки роли отдельного вида в структуре биоценоза: а) обилие вида (число особей на единицу площади/объёма); б) частота встречаемости (число проб/общ. Число проб в %); в) степень доминирования (число особ. данного вида/общ. число особей: <5% - Домин., 2-5% - субД, >2% - Рецеденты).

Пространственная структура биоценоза характеризует распределение видов в биотопе. Вертикальное распределение определяется прежде всего сложением его растительной части - фитоценоза, в первую очередь ярусностью. Животные также преимущественно приурочены к определенному ярусу растительности. Расчлененность биоценоза в горизонтальном направлении называется мозаичностью и определяется абиотическими и биотическими факторами. Под экологической структурой биоценоза понимают определенное соотношение экологических групп организмов. Например, соотношение экологических групп организмов по отношению к влажности - гигрофилов (гигрофитов), мезофилов (мезофитов) и ксерофилов (ксерофитов).

Биоценозы со сходной экологической структурой могут иметь разный видовой состав, поскольку одни и те же экологические ниши в разных биоценозах могут быть заняты разными видами, сходными по экологии и функциям в биоценозе (викарирующими). Например, одну и ту же экологическую нишу занимают антилопы в саваннах Африки, дикие лошади и куланы в степях Азии.

  1. Структура экологии. Биоэкология – первичное научное направление, изучающее закономерности взаимоотношений живых организмов со средой обитания на надорганизменных уровнях организации. Предмет изучения – живые сообщества. Раздел тесно связан с другими биологическими науками (физиологией, таксономией, этологией). В рамках биоэкологии выделяют системную экологию и экологию систематических групп. Системная экология включает в себя:

- аутэкологию – экологию отдельных организмов (одно из направлений аутэкологии – изучение механизмов адаптации организмов к условиям среды);

- популяционную экологию, изучающую взаимодействие популяций как целостных систем со средой; - синэкологию, изучающую экологические процессы на уровне многовидовых сообществ – биогеоценозов, или экосистем;

- глобальную экологию, или учение о биосфере, как о единой глобальной системе, в которой живые организмы определяют тесное взаимодействие атмосферы, гидросферы и литосферы.

Экология систематических групп включает экологию растений, экологию животных, экологию грибов, а также более мелких таксономических единиц.

Геоэкология – рассматривает взаимодействие биосистем со средой с учетом различных ландшафтов (экология тундры, степей, саванн, пустынь, культурных ландшафтов и пр.) и других географических подразделений (экология островов, высокогорий, Крайнего Севера, хребта Сихотэ-Алинь и пр.). Также геоэкология включает экологию сред: воздушной, наземной, моря, континентальных водоемов. На стыке биоэкологии и геоэкологии образовано множество частных разделов: экогеология, палеоэкология, археоэкология, эволюционная экология и другие. Прикладная экология рассматривает частные проблемы взаимодействия человека и окружающей среды в рамках конкретного вида деятельности. Выделяют сельскохозяйственную и строительную экологию, а также инженерную, медицинскую, промысловую, космическую и т.д. При этом рассматривается как влияние человеческой деятельности на экосистемы, так и влияние среды на человеческие сообщества. Прикладная экология тесно связана с природопользованием и с эколого-экономическими науками (например, экономикой среды обитания).

Социальная экология – раздел, обобщающий сведения большинства естественных наук в рамках глобальной системы «человеческое общество – окружающая среда», изучающий взаимодействие и взаимосвязи человеческого общества с природной и техногенной средой. В социальной экологии рассматриваются религиозные, классовые, экономические, культурные причины экологического кризиса. Также освещаются аспекты экологической этики и экологического гуманизма.

Социальная экология тесно связана с психологией, социологией, педагогикой и философией. На стыке этих дисциплин возникли более специфичные:

- экологическая;

- экологическая;

- экологическая философия и др.

Охрана окружающей среды – на современном этапе развития цивилизации это важнейшее направление экологической науки, несмотря на то, что это типичная инженерная дисциплина в рамках прикладной экологии. Кроме инженерного аспекта (мероприятия, оборудование и сооружения для сохранения окружающей среды) в раздел входят правовые, нормативные, административные, просветительские, образовательные мероприятия и действия. Разработка этого направления экологии возможна только и исключительно на основе экологических знаний из освещенных выше разделов. Охрана окружающей среды тесно связана с природопользованием, которое в широком смысле также охватывает все аспекты взаимодействия общества и природы.

  1. Приспособление организмов к жизни в разных средах. Среда – вся совокупность тел и сил внешнего, по отношению к живому организму мира. Среда обитания – природные явления и тела, с которыми организмы находятся в косвенном или прямом отношении. Это среда, в той или иной степени изменённая человеком. Местообитание – среда жизни организма, в которой осуществляется его цикл развития. Экологический фактор (э.ф.) – любой элемент или условие среды, который оказывает влияние на организмы. Экологические факторы бывают: по происхождению: - абиотические (климатические, атмосферные, почвенные, гидрологические) - биотические (влияние живых организмов - фитогенные, зоогенные), они могут быть внутривидовыми и межвидовыми; - антропогенные (влияние человека на окружающую среду). по периодичности и направленности: - действие строго периодично (смена суток, сезонов года); - действие без строгой периодичности (ливни, ураганы, извержения вулканов); - факторы направленного действия (потепление и похолодание климата, изменение русла реки); - факторы неопределённого действия (все антропогенные факторы). Ксенобиотики – организмы, чуждые окружающей среде. Закон оптимума: любой э.ф. имеет определённые пределы положительного влияния на живые организмы. Вспомогательные принципы закона оптимума: - организмы могут иметь широкий диапазон толерантности (д.т.) в отношении одного э.ф. и узкий диапазон в отношении другого; - организмы с широким д.т. ко всем э.ф. обычно наиболее широко распространены; - если условия по одному э.ф.не оптимальны для вида, то может снизиться и д.т. к другим э.ф.; - в природе организмы оказываются в условиях, не соответствующих оптимальному диапазону того или иного физического ф., определённого в лаборатории; - в период размножения многие факторы среды часто становятся лимитирующими. Закон минимума или ограничивающего фактора (Ю. Либих, 1840): наиболее значим тот ф., который больше всего отклоняется от оптимальных для организма значений. Водная среда жизни. Обтекаемая форма тела, эволюция органов чувств, ориентации в пространстве и коммуникация между водными обитателями, обитатели лишены обязательной связи с субстратом, формирование электрических органов чувств, обороны и нападения.

Наземно-воздушная среда. Возможность формирования высокого (энергетического) уровня обмена веществ (21 % кислорода), эволюция водно-солевого обмена и структуры органов дыхания.

Почва как среда жизни. Как водный, так и воздушный тип дыхания, роющие конечности у млекопитающих, способность к изменению толщины тела, наличие специализированных головных капсул у некоторых видов, формы тела (округлая, вольковатая, червеобразная), прочные и гибкие покровы, редукция глаз и исчезновение пигментов. Сапрофагия - поедание трупов других животных, гниющих остатков и т.д.

Организменная среда обитания. Постоянство среды, обеспечение паразитов и симбионтов питательными веществами в доступной форме, упрощение строения (редукция) органов пищеварения, как можно большее число потомков, формирование защитных механизмов и приспособлений к распространению.

Конвергенция – внешнее сходство, возникающее у представителей разных непосредственных групп и видов в результате сжодного образа жизни.

Пути приспособления: - активный (усиление сопротивляемости, развитие регуляторных процессов, позволяющих осуществлять жизненные функции организма); - пассивный (подчинение фактору среды, напр., спячка, оцепенение); - избегание неблагоприятных воздействий, напр., миграции, кочёвки). Типы адаптации: - морфологические (изменения в строении организма); - физиологические (изменения в физиологии организма); - этологические (изменения в поведении). Правило Бергмана (1847): в пределах вида или достаточно однородной группы близких видов теплокровные организмы с более крупными размерами распространены в более холодных областях. Правило Аллена (1877): существует связь между строением дела теплокровных животных и климатом, в котором они живут. У животных холодного климата все выступающие части тела (уши, хвост, конечности) намного короче, чем у родственных им видов в тёплых краях

  1. Свойство живого вещества в биосфере. Э. Зюсс (1875 г.) ввёл термин «биосфера». По В.В. Вернадскому: «Биосфера – общая планетарная оболочка Земли, где существует или существовала жизнь и которая подвергается или подвергалась её воздействию». Вернадский показал, что в природе нет более мощной геологической силы, чем живые организмы. Он впервые оценил влияние жизни на окружающую природу. Необиосфера – современная биосфера, верхняя граница – озоновый слой (полюса: 8-10 км, экватор: 17-18 км, остальное: 20-25 км, литосфера: -3км, гидросфера: Марианская впадина, -11 км). Палеобиосфера – озоновый слой, литосфера: до десятков км, где нах-ся полезные ископаемые, гидросфера – до неск. десятков км. Живое вещество (по В. Вернадскому) – вся совокупность живых организмов, выраженная через массу, Е и хим. состав. Кроме живого в-ва в природе встречается костное (минералы) и биокостное (почва и вода). Свойства живого вещества в биосфере: а) способность быстро занимать всё свободное пространство (по В. Вернадскому «всюдность»): именно это свойство позволило сделать вывод о постоянстве количества живого вещества во все эпохи; б) движение не только пассивное, но и активное (затраты энергии): вся история жизни есть свидетельство борьбы с энтропией, то есть с силами разрушения, жизнь сопротивляется естественному ходу событий, направленному на установление равновесия в природе; в) устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти: любая подсистема организма после смерти должна вернуть вещество в круговорот жизни, это обеспечивает бесконечность жизненного процесса; г) высокая адаптация к различным условиям жизни: например, некоторые организмы выносят температуры, близкие к абсолютному нулю, другие встречаются в термальных источниках с температурой до 140 град., в жерлах вулканов, в сверхглубоких впадинах океана, в водах атомных реакторов, бескислородной среде и т.п.; д) феноменально высокая скорость протекания хим. реакций: она на несколько порядков выше, чем в неживом веществе; е) высокая скорость обновления живого вещества: в среднем для биосферы она составляет 8 лет, для суши - 14 лет, а для океана - 33 дня (здесь преобладают организмы с коротким периодом жизни), за всю историю существования жизни общая масса живого вещества, прошедшего через биосферу, примерно в 12 раз превышает массу Земли; ж) высокая химическая активность благодаря биологическим катализаторам (ферментам): в живых организмах при ничтожных температурах протекают реакции между веществами, которые в воздухе не соединяются, даже в лабораторных печах при 1000-градусной жаре. Функции живого вещества: а) энергетическая: связана с запасанием Е в процессе фотосинтеза, передачи её по пищевым цепям и рассеивания; б) газовая: способность изменять и поддерживать определённый газовый состав как атмосферы в целом, так и определённого места; в) ОВР: интенсификация под влиянием живого вещества как процессов окисления, так и восстановления; г) концентрационная: способность организмов концентрировать в своём теле химические элементы, повышая их содержание по сравнению с окружающей средой на несколько порядков (изуч. биоминералогия); д) деструкционная: разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности как мёртвого вещества (редуценты), так и костного; е) транспотрная: перенос вещества и Е в результате активной формы движения живых существ; ж) рассеивающая: рассеивание хим. эл-ов в биосфере (трофическая и транпортная деятельность); з) средообразующая: образование среды, преобразование биосферы в целом или локальное изменение среды обитания, где живут конкретные организмы; Свойства биосферы: а) биосфера – централизованная система (центральное звено – живые организмы); б) биосфера – открытая система (А.Л. Чижевский); в) биосфера – саморегулирующаяся система. Основное условие этого – биоразнообразие («система устойчива только тогда, когда в неё входит много компонентов»); г) биосфера – система, которая характеризуется большим разнообразием (видовым/популяционным/экосистемным и пр.). Конвенция ООН по биоразнообразию (Рио-де-Жанейро, 1922 г.); д) наличие механизмов, обеспечивающих круговорот веществ и связанную с ним неисчерпаемость отдельных хим. эл-ов.

  1. Численность популяций и ее регуляция. Численность популяций не остается постоянной, так как меняются условия их существования. Возникающие изменения численности популяций во времени называются динамикой численности. Ее изучение важно для прогноза перспектив дальнейшего существования популяций и оценки их роли в природных сообществах.

Диапазон колебаний численности популяций зависит от степени изменчивости абиотических и биотических факторов, а также от биологических особенностей конкретного вида (плодовитости, скорости смены поколений, возраста достижения половой зрелости особей и др.). Самые большие диапазоны колебаний численности характерны для мелких быстро размножающихся организмов — бактерий, инфузорий, насекомых, грызунов.

Типы динамики численности.

Сезонный тип динамики численности характерен для видов с резко возрастающей плотностью популяций в течение одного сезона. Он свойствен небольшим по размеру организмам, которые дают многочисленное и быстро созревающее потомство и способны поэтому в короткий срок резко увеличить свою численность. К таким организмам относятся представители планктона — дафнии, циклопы, коловратки, а среди наземных — многие виды насекомых, грызунов и однолетних травянистых растений. Многолетний тип динамики численности охватывает период в несколько лет и характеризуется фазой минимума, или депрессии, фазой подъема, или нарастания, и фазой максимума, или массовой вспышки, после которой численность снижается, и многолетний цикл повторяется вновь. У разных видов продолжительность полного цикла различна и охватывает период от 2 до 10 лет. Такой тип динамики численности имеют саранча, колорадский жук, обитатели тундры — лемминги. Устойчивый тип динамики численности характерен для видов с более или менее постоянной численностью в течение длительного периода времени. Этот тип динамики свойствен, как правило, крупным животным с большой продолжительностью жизни, поздним наступлением половозрелости, дающим малочисленное с высокой выживаемостью потомство. Примером могут служить копытные млекопитающие, китообразные, крупные орлы, некоторые пресмыкающиеся.

Изменение численности сопровождается перестройкой возрастной структуры. Когда численность увеличивается,, отмечается возрастание доли молодых особей (т.е. значительно возрастает рождаемость как абсолютная, так и относительная). Рост численности популяции в конечном счете приводит к уменьшению ресурсов, необходимых особям. Спад численности сопровождается уменьшением доли особей младших возрастов и повышением смертности и продолжается вплоть до наступления следующего благоприятного периода, обусловливающего очередное увеличение численности.

Причины динамики численности. Факторы, вызывающие изменение численности, разнообразны. Их подразделяют на две группы: К не зависимым от плотности популяции относят преимущественно абиотические факторы. Они действуют на популяцию при любой ее численности. Например, особо суровые зимы вызывают гибель зимующих особей капустной белянки вне зависимости от того, большое или малое количество особей составляет эту популяцию в данный зимний период. Или наоборот, благоприятные условия зимовки могут способствовать повышению численности особей как в малочисленных популяциях, так и в больших.

К зависимым от плотности популяции принадлежат биотические факторы — естественные враги (хищники, паразиты, возбудители болезней) и пищевые ресурсы. Их количество изменяется вместе с изменением численности популяции. Установлено, что как только плотность популяции того или иного вида хищников увеличивается, численность популяции его основной жертвы начинает снижаться. Такой же эффект на популяцию хозяина оказывают и паразиты. Как правило, чем выше плотность популяции, тем сильнее влияние этих факторов. Без них численность популяции могла бы неограниченно увеличиваться, что привело бы к полному уничтожению источников корма. Таким образом, особенность действия факторов, зависящих от плотности, заключается в сглаживании резких колебаний численности, благодаря чему численность популяции поддерживается на определенном оптимальном уровне.

Одним из механизмов регулирования численности является плодовитость. Она снижается при уменьшении пищевой обеспеченности, которое наблюдается при увеличении численности популяции. Снижение плодовитости особей приводит к понижению рождаемости, а следовательно, к замедлению темпов роста популяции. Важную роль в регуляции плотности популяции играют поведенческие факторы, в частности территориальность.

Численность естественных популяций не остается постоянной, так как изменчивы условия окружающей их среды. Диапазон изменчивости численности различен у разных видов. Он обусловлен степенью изменчивости условий среды обитания, а также биологическими особенностями конкретного вида.

  1. Модели роста популяций. Плотность популяций. Плотность насыщения. Популяция (от лат. - население) – это совокупность особей одного вида, длительно населяющих определённое пространство, имеющих общий генофонд, возможность свободно скрещиваться и в той или иной степени изолированных от других популяций этого вида. Экологи различают несколько моделей роста популяций, главные из них - экспоненциальная и логистическая (по Р. Дажо, 1975): О тенденции быстрого неограниченного увеличения числа особей вида в соответствии с его биотическим потенциалом знал уже К. Линней. Однако представления об экспоненциальном росте популяций в начале прошлого столетия сформулировал Т. Мальтус: число особей в популяции увеличивается в геометрической прогрессии.

Модель экспоненциального роста описывается J-образной кривой, в условиях постоянного поступления ресурсов скорость роста популяции увеличивается и кривая взмывает вверх. Модель может быть описана уравнением: Nt = No е rt, в котором Nt - численность популяции через очередной промежуток времени (t), No - исходная численность, е - основание натурального логарифма, r - коэффициент размножения (репродуктивный потенциал, разность относительной рождаемости и относительной смертности, т.е. число родившихся или умерших особей, отнесенное к числу особей популяции в начале промежутка времени t).

Чтобы рост популяции соответствовал этой модели, величина коэффициента r должен быть постоянной, т.е. должно быть постоянным среднее количество потомков на одну особь (если r = 0, т.е. рождаемость равна смертности, то численность популяции не растет).

В зависимости от величины r увеличение численности особей может быть быстрым и достаточно медленным.

В природе экспоненциальный рост численности популяций наблюдается в сравнительно кратковременные периоды их жизни при особо благоприятных условиях, когда постоянно пополняются ресурсы ( быстрый рост численности диатомовых и зеленых водорослей весной, который также быстро прекращается, когда эти ресурсы оказываются израсходованными и, кроме того, зоопланктон начнет активно выедать водоросли (т.е. за счет регулирования плотности популяций «снизу» и «сверху»)).

Логистическая модель роста популяций, описываемая S-образной кривой (медленный рост - быстрый рост - медленный рост), была предложена также в начале XIX столетия бельгийским математиком П.-Ф. Ферхюльстом, а затем уже в 1920-е гг. переоткрыта американскими учеными Р. Перлем и Л. Ридом. П.В. Турчин считает эту модель отражением закона «самоограничения роста любой популяции». Причины замедления роста популяции могут быть самыми различными: выедание ресурсов, влияние эффекта скученности (у грызунов при этом снижается интенсивность репродуктивного процесса), отравление местообитания прижизненными выделениями, выедание популяции хищниками, болезни и т.д.

Тем не менее, и эта кривая является идеализацией, так как крайне редко проявляется в природе. Очень часто после того, как рост популяции выйдет на плато (достигнет предела, соответствующего количеству ресурсов), происходит внезапное уменьшение ее численности, а потом популяция вновь быстро растет. Таким образом, ее динамика оказывается состоящей из повторяющихся логистических циклов. Характер распределения особей по территории может быть равномерным, скученным или случайным. Плотность популяции - численность популяции, отнесенная к единице занимаемого ею пространства или среднее число особей на единицу площади или объема.

Иногда бывает важно различать среднюю плотность, то есть численность (или биомассу) на единицу всего пространства, и удельную, или экологическую, плотность, то есть численность (или биомассу) на единицу обитаемого пространства.

Чем ниже трофический уровень, тем выше плотность, а чем крупнее животные внутри данного уровня, тем больше их биомасса. Так как у крупных животных интенсивность метаболизма на единицу массы меньше, чем у мелких, на данной энергетической базе может поддерживаться большая биомасса крупных животных.

  1. Круговорот воды. Круговорот воды. Вода — самое распространенное вещество в биосфере. Основные ее запасы (97,1%) сосредоточены в виде солено-горькой воды морей и океанов. Остальные воды — пресные. Воды ледников и вечных снегов (т. е. вода в твердом состоянии) вместе составляют около 2,24% (70% от запасов всей пресной воды), грунтовые воды — 0,61%, воды озер и рек соответственно 0,016% и 0,0001%, атмосферная влага—0,001%.

Вода в виде водяного пара испаряется с поверхности морей и океанов и переносится воздушными потоками на различные расстояния. Большая часть испарившейся воды возвращается в виде дождя в океан, а меньшая — на сушу. С суши вода в виде водяного пара теряется благодаря процессам испарения с ее поверхности и транспирации растениями. Вода переносится в атмосферу и в виде осадков возвращается на сушу или в океан. Одновременно с континентов в моря и океаны поступает речной сток воды.

Как видим, основу глобального круговорота воды в биосфере обеспечивают физические процессы, происходящие с участием мирового океана. Роль живого вещества в них, казалось бы, невелика. Однако на континентах масса воды, испаряемая растениями и поверхностью почвы, играет главную роль в круговороте воды. Так, в различных лесных зонах основное количество осадков образуется из водяного пара, поступающего в атмосферу благодаря суммарному испарению, и в результате такие зоны живут как бы на собственном замкнутом водном балансе. Масса воды, транспи-рируемая растительным покровом, весьма существенна. Так, гектар леса испаряет 20—50 т воды в сутки. Роль растительного покрова заключается также в удержании воды путем замедления ее стока, в поддержании постоянства уровня грунтовых вод и др.

  1. Живое вещество. Средообразующие свойства живого вещества. Живое вещество (по В. Вернадскому) – вся совокупность живых организмов, выраженная через массу, Е и хим. состав.

Кроме живого в-ва в природе встречается костное (минералы) и биокостное (почва и вода). По современным оценкам, общая масса живого вещества в биосфере составляет около 2400 млрд. тонн. Масса живого вещества поверхности континентов в 800 раз превышает биомассу Мирового океана.

Свойства живого вещества в биосфере:

1. Способность быстро занимать свободное пространство, что связано как с интенсивным размножением, так и со способностью организмов интенсивно увеличивать поверхность своего тела или образуемых ими сообществ (всюдность жизни).

2. Движение не только пассивное (под действием силы тяжести), но и активное. Например, против течения воды, силы тяжести, движения воздушных потоков.

3. Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти(включение в круговороты), сохраняя при этом высокую физико-химическую активность.

4. Высокая приспособительность(адаптация) к различным условиям и в связи с этим освоение не только всех сред жизни (водной, наземно-воздушной, почвенной), но и крайне трудных по физико-химическим параметрам.

5. Феноменально высокая скорость протекания химических реакций. Она на несколько порядков значительнее, чем в неживой природе. Об этом свойстве можно судить по скорости переработки вещества организмами в процессе жизнедеятельности. Например, гусеницы некоторых насекомых перерабатывают за день количество вещества, которое в 100 – 200 раз превышает вес их тела.

6. Высокая скорость обновления живого вещества. Подсчитано, что в среднем для биосферы она составляет около 8 лет (для суши 14 лет, а для океана, где преобладают организмы с коротким периодом жизни – 33 дня).

7. Разнообразие форм, размеров и химических вариантов, значительно превышающее многие контрасты в неживом, косном веществе.

8. Индивидуальность (в мире нет одинаковых видов и даже особей).

Все перечисленные и другие свойства живого вещества обусловливаются концентрацией в нём больших запасов энергии. В.И. Вернадский отмечал, что по энергетической насыщенности с живым веществом может соперничать только лава, образующаяся при извержении вулканов. Несмотря на огромное разнообразие форм, всё живое вещество физико-химически едино. И в этом состоит один из основных законов всего органического мира – закон физико-химического единства живого вещества. Из него следует, что нет такого физического или химического агента, который был бы гибелен для одних организмов и абсолютно безвреден для других. Разница лишь количественная – одни организмы более чувствительны, другие менее, одни приспосабливаются быстрее, другие медленнее. При этом приспособление идёт в ходе естественного отбора, т.е. за счёт гибели тех индивидов, которые не смогли адаптироваться к новым условиям.

  1. Биоценоз. Биогеоценоз. Экосистема. Биоценоз – комплекс совместно живущих и связанных друг с другом популяций разных видов организмов (к. Мебиус, 1877).

В биоценоз входят такие компоненты как растительный (фитоценоз), животный (зооценоз); микроорганизмы (микробоценоз), водоросли (альгоценоз), грибы (микоценоз), а также, взаимодействуя с компонентами биоценоза (растениями, микроорганизмами и др.), почва и грунтовые воды образуют эдафотоп, а атмосфера — климатоп, а компоненты, относящиеся к неживой природе, образуют косное единство — экотоп.

Относительно однородное по абиотическим факторам среды пространство, занятое биоценозом, называют биотопом.

Биоценоз и биотоп оказывают друг на друга взаимное влияние, выражающееся главным образом в непрерывном обмене энергией как между двумя составляющими, так и внутри каждой из них.

Территориально биоценоз определяется границами фитоценоза, так как фитоценоз образует первичное органическое вещество.

В 1964 г. В.Н. Сукачёв предложил термин биогеоценоз – совокупность живых организмов, занимающих определённую территорию и взаимодействующих между собой и окружающей средой. Биогеоценоз — совокупность живых организмов, занимающих определённую территорию и взаимодействующих между собой и с окружающей средой (В.Н. Сукачёв, 1964).

В процессе совместного исторического развития организмов разных систематических групп образуются динамичные, устойчивые сообщества.

Совокупность всех живых организмов биогеоценоза — биоценоз — включает продуцентов (земные растения), образующих органическое вещество, а также консументов (животные) и редуцентов (микроорганизмы), живущих за счет готовых органических веществ и осуществляющих их разложение до простых веществ, которые снова используются, усваиваются растениями.

В биогеоценоз входят также: приземный слой атмосферы с ее газовыми и тепловыми ресурсами, почва, вода и др. химические компоненты, участвующие в биотическом круговороте. Постоянный приток солнечной энергии — необходимое условие существования биогеоценоза. Каждый биоценоз характеризуется определенной однородностью абиотической среды и составом почвы.

В биогеоценозе осуществляется биогенный круговорот веществ. Он является незамкнутой и динамичной экосистемой (то есть постепенным накоплением массы живого вещества и усложнением структуры). Рациональное использование и охрана природных биогеоценозов невозможны без знания их структуры и функционирования. Экосистема – любая совокупность организмов и неорганических компонентов в которых происходит круговорот веществ и поток энергии. Ввёл термин А. Тенсли в 1935 г. Экосистемы изучает синэкология. Экосистема = биоценоз + биотоп/экотоп (эдафотоп, литотоп, геоморфотоп, аэротоп, гидротоп, климатотоп). Для того чтобы экосистема функционировала (существовала), она должна обладать свойствами связывания и высвобождения энергии, а также круговоротом веществ. Экосистема, кроме этого, должна иметь механизмы, позволяющие противостоять внешним воздействиям (возмущениям, помехам), гасить их. Понятие экосистемы не ограничивается какими-то признаками ранга, размера, сложности или происхождения. Поэтому оно применимо как к относительно простым искусственным (аквариум, теплица, пшеничное поле, обитаемый космический корабль), так и к сложным естественным комплексам организмов и среды их обитания (озеро, лес, степь, море, океан, биосфера). Различают водные и наземные экосистемы. Экосистема может обеспечить круговорот вещества только в том случае, если включает необходимые для этого четыре составные части: запасы биогенных элементов, продуценты, консументы и редуценты. Биогенные вещества – вещества и элементы, которые используются и создаются живыми организмами в процессе их жизнедеятельности. Макроэлементы (много): K, P, Ca. Микроэлементы (мало): Cu, B, Fe, Mn.

Продуценты — это зеленые растения, создающие из биогенных элементов органическое вещество, т. е. биологическую продукцию, используя потоки солнечной энергии.

Консументы — потребители этого органического вещества, перерабатывающие его в новые формы. В роли консументов выступают обычно животные. Различают консументы первого порядка — растительноядные виды и второго порядка — плотоядных животных.

Редуценты — организмы, окончательно разрушающие органические соединения до минеральных. Роль редуцентов выполняют в биоценозах в основном грибы и бактерии, а также другие мелкие организмы, перерабатывающие мертвые остатки растений и животных. Основу круговорота веществ составляет фотосинтез растений и пищевые связи организмов в биоценозах.

  1. Задачи экологии. Главной задачей современной экологии как науки является консолидация различных ее разделов и огромного фактического материала на единой теоретической платформе, сведение их в систему, отражающую все стороны реальных взаимоотношений природы и человеческого общества.

Важнейшие общие задачи современной экологии в ее широком понимании сводятся к следующему:

1. раскрытие места и роли человека, цивилизации, техносферы в существовании экосферы планеты Земля с позиций экологических законов. Нахождение и уточнение естественно-научных критериев, определяющих экологическую совместимость человека и биосферы и количественные пределы развития техносферы;

2. экологизация сознания людей: формирование новой идеологии гуманистического экоцентризма, направленной на переход к экологически ориентированной постиндустриальной цивилизации, на экологизацию экономики, производства, политики, образования;

3. всеобъемлющая диагностика состояния природы планеты и ее ресурсов; определение порога выносливости биосферы по отношению к антропогенной нагрузке, т.е. к тем помехам и утратам, которые обусловлены человеческой деятельностью, и выяснение степени обратимости этих изменений;

4. разработка прогнозов изменений биосферы и состояния окружающей человека среды при разных сценариях экономического и социального развития человечества. Выработка критериев оптимизации – выбора наиболее согласованного с экологическим императивом и экологически ориентированного социально-экономического развития общества;

5. формирование такой стратегии поведения человеческого общества, такой экономики и таких технологий, которые приведут масштабы и характер хозяйственной деятельности в соответствие с экологической выносливостью природы и предотвратят глобальный экологический кризис.

Содержание современной экологии удобно определить исходя из концепции уровней организации жизни. Обычно выделяют шесть уровней организации живой материи, образующих иерархию:

- молекулярный (вирусы); - клеточный (прокаритоты/одноклеточные); - организменный; - популяционный (популяционно-видовой); - экосистемный (биоценотический/биогеоценотический); - биосферный.

Взаимодействие живой материи в каждом уровне организации жизни с абиотическими компонентами окружающей среды (веществом и энергией) обусловливает существование соответствующих биотических (живых) систем.

Экология изучает системы из ряда биологического спектра от организменного уровня и выше. Цели экологии: 1. Разработка оптимальных путей взаимодействия общества и природы с учётом законов существования. 2. Прогнозирование последствий взаимного влияния общества на природу.