Конспект лекцій Основи екології 2015

Тема 2. Основні поняття та визначення. Закони загальної екології

План

1.Визначення «екології» як науки. Завдання екології.

2.Закони загальної екології

3.Природні екосистеми: біогеоценоз, біотон, біоценоз, біоцикл, організм. Метаболізм екосистем.

4.Фактори формування навколишнього природного середовища: абіотичні, біотичні, антропогені, енергетичні, екологічні.

Люди скоряються законам Природи, навіть коли діють проти них. (Й.-В. Гете, видатний німецький поет, мислитель, природознавець (XVIII-XIX ст.)).

Протягом тривалого часу, аж до початку ХІХ сторіччя, соціальні та виробничі відносини людини задовольняли метафізичні науки. Їх особливість полягала у тому, що вони описували світ, який оточував людину, таким, що не змінюється та зберігає свої властивості від початку виникнення. Але згодом почалися виникати протиріччя між стрімким розвитком життя та застиглістю науки. Відповіддю на стрімкий розвиток промисловості та виробничої діяльності людини виникли еволюційне вчення, цитологія, генетика тощо.

Кінець ХІХ сторіччя, початок ХХ сторіччя – період, коли в біологічній науці почали панувати дисципліни, ідеєю яких стало дослідження розвитку усіх природних об’єктів та явищ. Та вже до середини ХХ сторіччя стало зрозуміло, що ідея розвитку сама по собі є недостатньою для адекватного розуміння світу. До неї приєднується ще одна ідея – ідея взаємозв’язку та взаємозалежності структур та явищ природи. Саме з цим періодом пов’язане формування сучасної екології.

Термін «екологія» одержав визнання з 1866 – 1869 років завдяки німецькому біологу Ернсту Геккелю (1834-1919). Слово «екологія» утворено з грецького «ойкос», що означає «будинок», «житло». В буквальному розумінні екологія – наука про організми «у себе вдома».

Екологія – наука про взаємовідносини живих організмів та угруповань, які вони утворюють один з одним та з навколишнім природним середовищем.

Екологія належить до молодих наук, сфера інтересів яких – явища, пов’язані з життям живих організмів. У різних підрозділах наук з’являються «екологічні школи» та пов’язані з ними напрями досліджень: соціальна

11

екологія, інженерна екологія, радіаційна екологія, міська екологія (урбоекологія), водогосподарська екологія, космічна екологія тощо. А тому ще рано говорити про завершення поділу екології на окремі галузі.

Екологію умовно можна поділити на п’ять великих підрозділів:

а) аутекологія (екологія організмів); б) демекологія (екологія популяцій); в) сінекологія (екологія угруповань);

г) біогеоценологія або екосистемологія вивчає біогеоценотичний шар Землі і, зокрема, конкретні біогеоценози (суходільні, водні)

д) біосферологія (глобальна екологія) – вивчає біосферу як єдине планетарне ціле, з’ясовує закономірність еволюції біосфери.

Сучасна екологія, колискою якої є біологія та яка групується на головних біологічних закономірностях, повинна вирішувати набагато ширше коло питань ніж здається на перший погляд. Ця дисципліна поєднує в собі основні питання природничих, суспільнополітичних, технічних, економічних та юридичних наук. Тому політика, економіка та юриспруденція нині дуже тісно пов’язані з вирішенням екологічних проблем, а сама екологія стала однією з головних міждисциплінарних наук.

Наприкінці ХХ сторіччя зміст екології став дещо ширшим, її місце в системі наук значно змінилося. Екологія виникла як суто біологічна наука, але в наш час вона трансформувалася і стала наукою про структуру та функції природи в цілому, наукою про біосферу, наукою, що вивчає місце людини на нашій планеті.

Одним із перших почав розглядати екологію як міждисциплінарну науку, що досліджує багатокомпонентні та багаторівневі системи в природі та суспільстві, американський вчений Юджин Одум в 1970-1980 роках.

Екологія – молода наука, й, мабуть, через це вона ще не сформулювала своїх законів з математичною чи фізичною точністю. Можливо, це буде зроблено пізніше. Поки що ж прийнято вважати, що екологічні закони – це

рециклічності, або повторного багаторазового використання найважливіших речовин;

постійного відновлення ресурсів;

консервативного споживання, коли живі істоти споживають лише те й у такій кількості, як їм необхідно;

12

популяційного контролю – природа не допускає вибухоподібного росту популяцій, регулюючи кількість особин того чи іншого виду створенням відповідних умов для його існування та розмноження.

Більшість цих та інших екологічних принципів і законів вдало узагальнив американський еколог Б. Коммонер у 1974 р., звівши їх до чотирьох законів.

Закон перший: усе пов'язане з усім.

Екологія розглядає біосферу нашої планети як складну систему з багатьма взаємопов'язаними елементами. За рахунок цих зв'язків формуються гармонійні системи кругообігу речовин та енергії. Будь-яке втручання в роботу збалансованого механізму біосфери викликає відповідь одразу за багатьма напрямами, що робить прогнозування в екології надзвичайно складною справою.

Закон другий: усе має кудись діватися.

На прикладі біологічного кругообігу видно, як рештки й продукти життєдіяльності одних організмів є в природі джерелом існування для інших. Людина поки ще не створила такого гармонійного кругообігу в своїй господарській діяльності. Будь-яке виробництво постійно «випускає» принаймні дві речі – необхідну продукцію й відходи. Відходи самі собою не зникають: вони нагромаджуються, знову втягуються в кругообіг речовин і призводять до непередбачених наслідків.

Закон третій: природа знає краще.

«Живе складається з багатьох тисяч різноманітних органічних сполук, – пише Б. Коммонер, – і часом здається, що принаймні деякі з них можуть бути поліпшені, якщо їх замінити якимось штучним варіантом природної субстанції». Третій закон екології стверджує, що штучне введення органічних речовин, які не існують у природі, а створені людиною, але беруть участь у живій системі, швидше завдасть шкоди. Одним із найдивовижніших фактів у хімії живих речовин є те, що для будь-якої органічної субстанції, виробленої живими істотами, в природі є фермент, здатний цю субстанцію розкласти. Тому, коли людина синтезує нову органічну сполуку, яка за структурою значно відрізняється від природних речовин, цілком імовірно, що для неї немає розкладального ферменту, й ця речовина «накопичуватиметься». Другий закон допомагає зрозуміти, які наслідки матиме таке накопичення.

Закон четвертий: ніщо не дається задарма.

Четвертий закон стверджує: природні ресурси не нескінченні. Людина в процесі своєї діяльності нині бере у природи в «борг» частину її продукції, залишаючи під заставу ті відходи й ті забруднення, яким не може чи не хоче

13

запобігти. Цей борг зростатиме доти, доки існування людства не опиниться під загрозою й люди сповна не усвідомлять необхідність усунення негативних наслідків своєї діяльності. Це усунення потребуватиме дуже великих затрат, які й стануть сплатою цього боргу.

Що принципово відрізняє нашу планету від будь-якої іншої планети Сонячної системи? Наявність життя. «Якби на Землі не було життя, – писав академік В. І. Вернадський, – обличчя її було б так само незмінним і хімічно інертним, як нерухоме обличчя Місяця, як інертні уламки небесних світил».

Життя на Землі реалізується у формі живої речовини, яку часто називають також біотою.

Використовуючи прямо й непрямо сонячну енергію, жива речовина створює з простих, бідних на енергію молекул, передусім води й вуглекислого газу, складніші й енергетично впорядкованіші сполуки – вуглеводи, білки, жири, нуклеїнові кислоти та інші – або переробляє їх. Жива речовина концентрує хімічні елементи, перерозподіляє їх у земній корі, руйнує й агрегує неживу матерію, окислює, відновлює й перерозподіляє хімічні сполуки.

Наприклад, бактерії однієї з груп – залізобактерії – дістають необхідну для життя енергію за рахунок окиснення двовалентного заліза до тривалентного. При цьому в процесі утворення 1 г біомаси цих бактерій відбувається окиснення до 500 г солей двовалентного заліза. Кінцеві продукти – солі тривалентного заліза – відкладаються навколо бактеріальної клітини й утворюють так звану болотну руду. Саме з болотної руди за часів Київської Русі виплавляли чавун.

Функції живої речовини:

окиснення;

концентрація;

перерозподіл хімічних елементів.

Кількість живої речовини. Суха маса живої речовини оцінюється в 2-3 трлн т – приблизно в мільярд разів менше за масу Землі. Проте жива речовина відрізняється від неживої надзвичайно високою активністю, зокрема дуже швидким кругообігом речовин. Уся жива маса біосфери оновлюється за 33 дні, а фітомаса, тобто маса рослин, – щодня. Життєдіяльність тварин, рослин і мікроорганізмів супроводжується безперервним обміном речовин між біотою та зовнішнім середовищем, унаслідок чого всі атоми земної кори, атмосфери й гідросфери протягом історії Землі багаторазово входили до складу живих організмів. Образно кажучи, ми п'ємо воду, що колись входила до складу тканин юрських

14

папоротей і кембрійських трилобітів, і дихаємо повітрям, яким дихали не лише наші далекі предки, а й динозаври.

Основні властивості живої речовини: o високоорганізована внутрішня структура;

o здатність уловлювати із зовнішнього середовища й трансформувати речовини та енергію, забезпечуючи ними процеси своєї життєдіяльності;

o здатність підтримувати сталість власного внутрішнього середовища, незважаючи на коливання умов середовища зовнішнього, якщо ці коливання сумісні з життям;

oздатність до самовідтворення шляхом розмноження.

Жива речовина існує у формі конкретних живих одиниць – організмів

(індивідів), які, своєю чергою, групуються в більш або менш дискретні одиниці існування матерії – види.

Кожен організм має свою програму розвитку й діяльності, записану у вигляді певної сукупності генів, – генотип. Ця програма реалізується в характерних, притаманних лише даному організмові зовнішньому вигляді, фізіологічних і біохімічних властивостях, у поведінці. Сукупність усіх ознак та властивостей, що визначаються генотипом, називається фенотипом. За рахунок фенотипу організм оптимальною мірою пристосовується до зовнішнього середовища, перебуває з ним у найбільш гармонійних відносинах. Організми одного виду мають досить схожі, хоча й не ідентичні генотипи й фенотипи. Сукупність генотипів усіх видів нашої планети становить її генофонд (це майже синонім терміна «видова різноманітність»). Отже, втрата будь-якого виду призводить до зменшення видової різноманітності й порушує гармонію у взаємовідносинах живої та неживої речовин.

Загальне уявлення про екосистему.

Процеси зв'язування сонячної енергії, її трансформації й накопичення в живій речовині, поглинання поживних речовин та їх перетворення, нагромадження осадових відкладів і вивітрювання гірських порід відбуваються в конкретних екосистемах. Термін «екосистема» запропонував англійський еколог А. Тенслі в 1935 р. Під екосистемою розуміють функціональну систему, яка вбирає в себе угруповання живих організмів разом із середовищем, в якому вони мешкають. Елементи цієї системи пов'язані між собою обміном речовин та енергії. Екосистемами є й біосфера в цілому, й окремий ліс, і окрема калюжа, й поодиноке дерево, тобто як за розмірами, так і за складом екосистеми дуже різноманітні. Головна спільна риса всіх екосистем – це те, що в певних ланках трофічного ланцюга

15

екосистеми засвоюється, передається й перетворюється енергія. В екосистемах також відбуваються міграція й трансформація речовини.

Залежно від характеру циркуляції речовини екосистеми поділяються на закриті й відкриті.

Закритою називають таку екосистему, в якій речовина циркулює від продуцентів до редуцентів по колу й саме в межах цієї екосистеми.

Наприклад, у ставку біогенні елементи багаторазово проходять по тому самому колу: водорості → зоопланктон → риба → бактерії → мінеральні біогенні речовини → знову водорості.

У відкритих екосистемах речовина по колу не обертається.

Наприклад, в екосистемі окремого дерева гусінь з'їдає листя продуцента; саму ж гусінь ловлять птахи й відносять у свої гнізда на інші дерева. Отже, речовина з даної екосистеми вилучається й переноситься в іншу.

Розрізняють також екосистеми, здатні або не здатні до саморегуляції.

Механізм саморегуляції в екосистемах першого типу здійснюється за принципом негативного зворотного зв'язку. Цей принцип у спрощеному варіанті можна уявити собі у вигляді ланцюга, кожна ланка якого виступає щодо двох сусідніх або хижаком, або жертвою. Якщо з якихось причин зменшується чисельність жертви, то через нестачу їжі з часом зменшується й чисельність хижака. Зниження чисельності хижака відповідно приводить до зменшення тиску на жертву, чисельність якої збільшується. Це знову створює умови для збільшення чисельності хижака. Отже, система «хижак–жертва» саморегулюється, тобто утримується в рівноважному стані. При цьому чисельність жертви й хижака постійно коливається навколо якогось середнього значення. Ці коливання дістали назву «хвиль життя».

Біогеоценоз як елементарна екосистема біосфери.

Елементарними екосистемами, з яких складається біосфера, є біогеоценози – замкнені екосистеми, здатні до саморегуляції.

Біогеоценозом називають однорідну ділянку земної поверхні з певним складом організмів, що населяють її (бактерій, рослин, тварин, грибів), і комплексом абіотичних компонентів (ґрунтом, повітрям, сонячною енергією та іншими), які пов'язуються обміном речовини й енергії в єдину природну систему.

Складові біогеоценозу – це біотоп – однорідний за абіотичними факторами середовища простір – і біоценоз – сукупність усіх представлених у межах даного біотопу організмів.

Функціональні складові біоценозу: сукупність усіх продуцентів даного біотопу (вищі рослини, водорості, автотрофні бактерії) – так званий

16

фітоценоз; сукупність тварин-консументів – зооценоз; сукупність редуцентів (бактерій і грибів-сапротрофів) – мікробоценоз. Межі біогеоценозу визначаються межами фітоценозу, тобто контуру однорідної рослинності, оскільки саме рослини-продуценти є першою ланкою трофічних ланцюгів біогеоценозу. Біогеоценози водойм називають також біогідроценозами.

Розміри конкретних біогеоценозів коливаються в досить широких межах:

oу пустелях площа біогеоценозу становить сотні тисяч квадратних метрів (наприклад, такири й барханні піски площа одного лісового біогеоценозу – зазвичай від кількох сотень до кількох десятків тисяч квадратних метрів (наприклад, березовий гай у дубовому лісі);

oлугові й степові біогеоценози ще менші – до кількох десятків, зрідка – сотень квадратних метрів.

Як правило, виразних, різких меж між біогеоценозами не існує, а один поступово переходить в інший. Будь-який біогеоценоз являє собою систему елементів популяцій живих організмів, що взаємодіють.

Кожний біогеоценоз характеризується біомасою та продуктивністю, має свою певну просторову й видову структури, певну сукупність ланцюгів живлення, які пов'язуються потоками речовини й енергії в специфічну для даного біогеоценозу трофічну мережу й визначають його інформативність.

Сукупність біогеоценозів із відносно схожими характеристиками (передусім – рослинністю), які займають значну територію й розвиваються в схожих кліматичних умовах, називають біомами. Сьогодні на нашій планеті виділяють близько 30 основних біомів.

Погіршення стану більшості екосистем біосфери, істотне зменшення біопродуктивності й біорізноманітності, катастрофічне виснаження ґрунтів і мінеральних ресурсів, небачена забрудненість поверхні Землі, гідросфери й атмосфери пов'язані з інтенсивним зростанням чисельності населення планети та розвитком науково-технічного прогресу протягом останніх 50 років. Саме необхідність задоволення дедалі більших потреб людського суспільства призвела до гігантського розширення масштабів господарської діяльності, змін у пропорціях світового господарства, у виробничих потужностях, техніці и технологіях, асортименті продукції, виробничому й особистому споживанні. Моделі виробництва й споживання, що склалися в світі, перестали відповідати умовам нормального співіснування людини й природи.

До розвитку глобальної екологічної й тісно пов'язаної з нею соціальноекономічної кризи, які сьогодні загрожують існуванню нашої цивілізації,

17

призвели, образно кажучи, два «вибухи» – демографічний, тобто різке зростання чисельності населення Землі за останнє століття, й промисловоенергетичний, а також спричинені ними катастрофічні ресурсопоглинання й продукування відходів.

Вплив середовища на організми зазвичай оцінюють через окремі фактори. Поняття «умови» екологія замінила поняттям «фактори».

Екологічний фактор – це будь-який елемент середовища, здатний прямо чи опосередковано впливати на живі організми хоча б упродовж однієї з фаз їх індивідуального розвитку.

Фактори поділяють на три групи: абіотичні (або фізико-хімічні),

біотичні та антропогенні. До абіотичних належать кліматичні, атмосферні, ґрунтові (едафічні), геоморфологічні (орографічні), гідрологічні та ін. До біотичних належать фактори живої природи – вплив одних організмів або їх співтовариств на інші. Ці впливи можуть бути з боку рослин (фітогенні), тварин (зоогенні), мікроорганізмів, грибів тощо.

Антропогенні – це фактори людської діяльності. Серед них розрізняють фактори прямого впливу на організми (наприклад, промисел) і опосередкованого – вплив на місце проживання (наприклад, забруднення середовища, знищення рослинного покриву, будівництво гребель на ріках тощо).

Визначення екологічного фактора характеризується такими ознаками:

oне подільність даного елемента середовища. Наприклад, глибину водойми не можна розглядати як екологічний фактор, тому що глибина впливає на мешканців водойми не безпосередньо, а через збільшення тиску, зменшення освітлення, зниження температури, збільшення солоності, зменшення вмісту кисню тощо. Саме температура, солоність, вміст кисню, освітленість, тиск та ін. виступають як екологічні фактори

водойми, що впливають безпосередньо на живі організми;

o дія екологічних факторів може бути не прямою, а опосередкованою, тобто в цьому разі вони діють через численні причинно-наслідкові зв'язки.

Розрізняють десять груп екологічних факторів (загальна кількість – близько 60), об'єднаних за певним показником: за часом – фактори часу (еволюційний, історичний, діючий), періодичності (періодичний і неперіодичний); за середовищем виникнення (атмосферні, водні, геоморфологамні, фізіологічні, генетичні, екосистемні); первинні тa вторинні; за походженням (космічні, біотичні, абіотичні, природноантропогенні, техногенні, антропогенні); за характером (інформаційні,

18

фізичні, хімічні, енергетичні, термічні, біогенні, кліматичні, комплексні); за спектром впливу (вибіркової чи загальної дії); за умовами дії; за об'єктом впливу (летальні, екстремальні, обмежувальні, мутагенні, занепокоєння).

Екологічні фактори на рівні особини, популяції, виду і екосистеми впливають по-різному. На рівні особин абіотичні фактори впливають насамперед на поведінку тварин, змінюють трофічні відносини з середовищем і характер метаболізму, діють на здатність розмножуватися і плодючість, значною мірою визначають розвиток, швидкість росту і тривалість життя тварин і рослин. На рівні популяції абіотичні фактори діють на такі параметри, як народжуваність, смертність, середня тривалість життя особини, швидкість зростання популяції та її розміри. Останні визначають характер динаміки чисельності популяції і просторовий розподіл особин у ній. На рівні виду абіотичні умови середовища проживання нерідко виступають як фактори, що визначають і обмежують географічне поширення.

На рівні екосистеми будь-який абіотичний фактор, що впливає на окремий вид, який входить до складу екосистеми, впливатиме і на саму екосистему, на її визначальні властивості. Дія абіотичних факторів може призвести до загибелі особин, що зумовить зменшення густоти популяцій, які входять до складу екосистеми. Це в кінцевому підсумку позначиться на видовому різноманітті, просторовому розподілі видів в екосистемі, на характері їх взаємодії один з одним.

Тема 3. Основи енерго- і масообміну в біосфері План

1.Складові біосфери землі та їх характеристика.

2.Роль і рух енергії в біосфері. Термодинамічні параметри біосфери і біологічні процеси в ній.

3.Сонячне випромінювання та його параметри. Баланс сонячного випромінювання. Джерела і потоки матеріального і енергетичного живлення природних екосистем.

4.Матеріальний і енергетичний баланс фотосинтезу. Кругообіг речовин у процесі фотосинтезу і мінералізації.

Простір нашої планети, в якому існує й «працює» жива речовина,

називають біосферою (від грец. біос – життя та сфера – куля). Перші уявлення про біосферу як «зону життя» дав відомий французький природознавець Ж.-Б. Ламарк, а термін «біосфера» ввів у науку австрійський геолог Е. Зюсс (1875 р.). Проте цілісне вчення про біосферу створив наш видатний співвітчизник, засновник і перший президент Академії наук України В. І. Вернадський.

19

Біосфера охоплює три геологічні сфери – частини атмосфери й літосфери та всю гідросферу. Межі біосфери визначаються межами поширення й активної роботи живої речовини.

Верхня межа біосфери в атмосфері, на думку одних учених, проходить на висоті вершин Гімалаїв (10 км над рівнем моря), на думку інших, – досягає нижніх шарів стратосфери (30 км), де ще трапляються в досить великій кількості спори й навіть клітини бактерій, грибів і деяких водоростей, що активно вегетують. Іноді верхньою межею біосфери вважають озоновий шар (25-30 км над поверхнею планети), вище від якого живе зазвичай гине під дією космічних випромінювань.

Межа біосфери в літосфері також чітко не окреслена. Починаючи з глибин 0,5-2 м від земної поверхні кількість живої речовини зменшується в логарифмічній послідовності. На глибинах понад 10 м породи, як правило, вже стерильні. Та навіть у товщі стерильної породи іноді трапляються острівці життя. Найбільші глибини, де знайдено живу речовину – 2-3 км. У нафтових родовищах на цих глибинах виявлено свою, «нафтову», мікрофлору. Нафта залягає також і на значно більших глибинах — до 5-7 км. Припускають, що й у таких глибинних родовищах можна знайти «нафтові» бактерії. Деякі дослідники нижньою межею біосфери вважають глибини, на яких температура літосфери починає перевищувати 100 °С: близько 10 км на рівнинах і 7-8 км у горах.

Межі біосфери в гідросфері окреслені чітко: біосфера охоплює всю гідросферу, в тому числі найбільші океанічні западини до 11 км, де існує значна кількість глибоководних видів.

У цілому екологічний діапазон поширення живої речовини досить великий. У 1977 р. в океані на глибині кількох кілометрів було знайдено гарячі вулканічні зони, в яких за температури 350 °С існують численні термофільні бактерії (вода там не кипить через високий тиск і велику концентрацію солей). В експериментах американського дослідника Р. Камерона синьозелені водорості протягом кількох місяців не втрачали життєздатності в умовах, що відповідали марсіанським. Жива речовина не гине в рідкому азоті (на цій властивості ґрунтуються методи кріоконсервації всіляких живих організмів). Деякі види, наприклад ті ж таки синьозелені водорості, не гинуть під дією потужного іонізуючого випромінювання й оселяються в епіцентрі ядерного вибуху вже через кілька днів після його здійснення.

Жива речовина здатна зберігатися навіть в умовах відкритого Космосу. Так, третя експедиція американських астронавтів забула на Місяці

20