Экология – наука о взаимоотношениях и взаимодействии между различными живыми существами и окружающей их средой, об обмене веществ и потоках энергии, которые делают возможной жизнь на Земле, и о приспособлениях организмов к изменяющимся условиям существования (В. Лархер,1978 г.). Термин «экология» (от гр. слов oicos — «дом, убежище», logos — «наука») был впервые предложен биологом-дарвинистом Э. Геккелем в 1866 г.     Предмет экологии – изучение совокупности или структуры связей между организмами и природной средой. Главным объектом изучения экологии являются экологические системы (природные комплексы живых организмов и среда их обитания). Кроме них, данная наука занимается изучением организменного, популяционно-видового и биосферного уровней.     Основная часть экологии как биологической науки – общая экология (или биоэкология), изучающая общие закономерности взаимоотношений живых организмов и среды.     Выделяют следующие основные разделы экологии:     1) аутэкология, или экология особей, занимающаяся исследованием индивидуальных связей отдельного организма (вида, особи) с его природной средой;     2) демэкология, или популяционная экология, изучающая динамику и структуру популяций отдельных видов;     3) синэкология, или экология сообществ, которая изучает взаимодействие популяций, сообществ и экосистем с окружающей средой.     В зависимости от временного фактора в экологии выделяют историческую и эволюционную экологию. Кроме этого, различают экологию микроорганизмов, экологию растений и экологию животных. Экологическими проблемами планеты занимается глобальная экология; объект ее изучения – биосфера.     Задачи теоретической экологии (В. И. Коровкин, 2003 г.):     1) разработка общей теории устойчивости экологических систем;     2) изучение экологических механизмов адаптации к среде;     3) исследование регуляции численности популяций;     4) изучение биологического разнообразия и механизмов его поддержания;     5) исследование продукционных процессов;     6) исследование процессов, протекающих в биосфере, с целью поддержания ее устойчивости;     7) моделирование состояния экосистем и глобальных биосферных процессов.     Задачи прикладной экологии:     1) прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий в окружающей природной среде под влиянием деятельности человека;     2) улучшение качества окружающей природной среды;     3) сохранение, воспроизводство и рациональное использование природных ресурсов;     4) оптимизация инженерных, экономических, организационно-правовых, социальных и иных решений для обеспечения наиболее экологически неблагополучных районах.

  Историю развития экологии разделяют натри этапа.     Первый этап (XVII–XVIII вв.) является этапом зарождения экологии как науки, характеризующийся накоплением данных о взаимосвязи организмов с природной средой.     В этот период Т. Мальтус и Ж. Б. Ламарк первыми обосновали негативные последствия влияния деятельности человека на природу.     Второй этап (вторая половина XIX в.) экология становится самостоятельной отраслью знаний. Данный этап начинается с работ русских ученых Н. А. Северцова, В. В. Докучаева и других, которые предложили основные принципы и понятия экологии, актуальные до настоящего времени. В 1877 г. немецкий гидробиолог К. Мебиус ввел понятие о биоценозе.     Огромный вклад в развитие основ экологии внес Ч. Дарвин, открывший основные факторы эволюции живых организмов. Именно в этот период (1866 г.) немецкий биолог Э. Геккель предложил термин «экология».     Экология как самостоятельная наука окончательно сформировалась в начале XX в. Начинают публиковаться обобщения и сводки различных иностранных ученых (Ч. Адамс, В. Шелфорд и др.). В. И. Вернадским создается фундаментальное учение о биосфере. В 1935 г .А. Тенсли выдвинул понятие «экологическая система», а в 1940 г. русский ученый В. Н. Сукачев предложил понятие «биогеоценоз». Во второй половине XX в. экология приобретает особое значения, что связано с загрязнением окружающей среды в результате антропогенного воздействия. Закладываются научные основы охраны природы Г. А. Кожевниковым, В. В. Докучаевым, С. В. Завадским и др.     В третьем этапе (середина XX в. идо настоящего времени) развития экологии происходит переход экологии в комплексную науку, которая включает в себя науки об охране природной и окружающей среды. Данный период связан с именами таких ученых, как Д. Харпер, Ю. Одум, Р. Уиттекер, Т. Миллер, Ю. Н. Куражковского, Н. Ф. Реймерса и др.     При исследовании и изучении проблемы истощения природных ресурсов на основе экологии появляется наука Основы природопользования. В 1959 г. экологом Ю. Н. Куражковским был предложен термин «природопользование» и его определение «комплексная научная дисциплина, исследующая общие принципы рационального (для данного исторического момента) использования природных ресурсов человеческим обществом. Ее задачи сводятся к разработке принципов осуществления всякой деятельности, связанной либо с непосредственным пользованием природой и ее ресурсами, либо с изменяющими ее воздействиями».     В последнее десятилетие возникла новая научная дисциплина – геоэкология, изучающая антропогенные изменения территориальных и аквасистем, их компонентов и последствия этих изменений.

 Экологическое образование – целенаправленно организованный, планомерно и систематически осуществляемый процесс овладения экологическими знаниями, умениями и навыками (В. И. Коровкин, Л. В. Передельский, 2003 г.).     В результате изучения и анализа современной экологической ситуации возникла необходимость введения экологического образования в России.     Согласно Указу Президента Российской Федерации «О государственной стратегии Российской Федерации по охране окружающей среды и обеспечению устойчивого развития» одним из основных направлений государственной политики в области экологии является развитие экологического воспитания и образования. Также постановлением Государственной Думы от 22.11,1995 г № 1363-1 ГД «О Федеральном законе «О государственной политике в области экологического образования».     Наряду с социально-гуманитарным образованием, экологическое образование должно формировать новое экологическое сознание, развивать профессиональные знания и навыки, способствующие выходу России из экологического кризиса. В настоящее время в нашей стране система экологического образования носит комплексный и междисциплинарный характер. Во многих городах создаются центры экологического образования населения.     Специальность эколога можно получить более чем в 40 университетах и академиях и 30 педагогических вузах России.     Экологическое воспитание должно способствовать формированию активной природоохранной позиции. Экологическое воспитание достигается с помощью комплекса природоохранного и экологического обучения, включающего воспитание в узком смысле слова, школьное и вузовское экологическое просвещение и пропаганду экологического мировоззрения (по Н. Ф. Реймерсу, 1992 г.).     Основные постулаты экологического воспитания:     1) человек ответственен за все живое;     2) природа была и всегда будет сильнее человека; природа вечна и бесконечна; взаимоотношения человека с природой должны основываться на взаимопомощи, а не на противоборстве;     3) чем разнообразнее биосфера, тем она устойчивее;     4) возникновение экологического кризиса реально, так как человек оказывает на окружающую природную среду недопустимое дестабилизирующее воздействие;     5) антропоцентрический тип сознания необходимо вытеснить новым типом – эксцентрическим;     6) человечество должно отказаться от излишнего потребления природных ресурсов и экологической безответственности.     Высшая стадия экологизации сознания – экологическая культура – комплекс навыков бытия в контакте с окружающей природной средой. Большинство специалистов и ученых утверждают, что экологический кризис можно преодолеть только с помощью экологической культуры, основная идея которой – совместное гармоническое развитие природы и человека.

Среда обитания — природные тела и явления, находящиеся в прямых и косвенных взаимоотношениях с организмом (организмами). Отдельные элементы среды являютсяфакторами. 1. Окружающая среда — среда, изменённая человеком. Природная среда, окружающая природа — это среда, изменённая в малой степени. 2. Или не изменённая человеком. 3. Местообитание — среда жизни организма или вида, в которой проходит весь цикл его развития. Влияние среды на организмы оценивают через экологические факторы (любой элемент или условие среды, на которые организм реагирует приспособительными реакциями). Классификация факторов. 1. Факторы неживой природы (абиотические): климатические, атмосферные, почвенные и др. 2. Факторы живой природы (биотические) — влияние одних организмов на другие: со стороны растений (фитогенные), животных (зоогенные) и т. п. 3. Факторы человеческой деятельности (антропогенные): прямое влияние на организмы (промысел) или косвенное — на местообитание (загрязнение среды). Современные экологические проблемы и возрастающий интерес к экологии связаны с действием антропогенных факторов. Существует классификация факторов степени адаптации к ним организмов по периодичности (смена суток, сезонов года, приливноотливные явления и т. п.) и направленности действия (потепление климата, заболачивание территорий и т. п.). Организмы легче всего адаптируются к чётко изменяющимся факторам (строго периодические, направленные). Адаптация к ним часто является наследственно обусловленной. Даже если фактор меняет периодичность, то организм продолжает некоторое время сохранять адаптацию к нему, действовать в ритме биологических часов (при смене часовых поясов). Наибольшие трудности для адаптации представляют факторы неопределённые, например антропогенные факторы. Многие из них выступают как вредные (загрязняющие вещества). Из быстроизменяющихся факторов большое беспокойство сегодня вызывают изменения климата (в частности, из-за парникового эффекта), изменение водных экосистем (из-за мелиорации и т. п.). В некоторых случаях по отношению к ним организмы используют механизмы преадаптаций, т. е. адаптаций, выработанных по отношению к другим факторам. Например, устойчивости растений к загрязнению воздуха в некоторой степени способствуют структуры, замедляющие процессы поглощения веществ, которые также благоприятны и для засухоустойчивости, в частности плотные покровные ткани листьев. Это нужно учитывать например при подборе видов для выращивания в районах с высокой промышленной нагрузкой, а также для озеленения городов.

Несмотря на большое разнообразие экологических факторов, в характере их воздействия на организмы и в ответных реакциях живых существ можно выявить ряд общих закономерностей.

Закон толерантности (закон оптимума или закон В. Шелфорда) – каждый фактор имеет определенные пределы положительного влияния на организмы. Как недостаточное, так и избыточное действие фактора отрицательно сказывается на жизнедеятельности особей (много «хорошо» – тоже «не хорошо»).

Факторы среды имеют количественное выражение. По отношению к каждому фактору можно выделитьзону оптимума (зону нормальной жизнедеятельности), зону пессимума (зону угнетения) и пределы выносливости организма. Оптимум – такое количество экологического фактора, при котором интенсивность жизнедеятельности организмов максимальна. В зоне пессимума жизнедеятельность организмов угнетена. За пределами выносливости существование организма невозможно. Различают нижний и верхний предел выносливости.

Способность живых организмов переносить количественные колебания действия экологического фактора в той или иной степени называетсяэкологической валентностью (толерантностью, устойчивостью, пластичностью).

Значения экологического фактора между верхним и нижним пределами выносливости называется зоной толерантности. Виды с широкой зоной толерантности называются эврибионтными, с узкой –стенобионтными. Организмы, переносящие значительные колебания температуры, называютсяэвритермными, а приспособленные к узкому интервалу температур – стенотермными. Таким же образом по отношению к давлению различают эври- и стенобатные организмы, по отношению к степени засоления среды – эври- и стеногалинные, по отношению к питанию эври- и стенотрофы (применительно к животным используют термины эври- и стенофаги) и т.д.

Экологические валентности отдельных индивидуумов не совпадают. Поэтому экологическая валентность вида шире экологической валентности каждой отдельной особи.

Экологические валентности вида к разным экологическим факторам могут существенно отличаться. Набор экологических валентностей по отношению к разным факторам среды составляет экологический спектр вида.

Экологический фактор, количественное значение которого выходит за пределы выносливости вида, называется лимитирующим (ограничивающим) фактором.

2. Неоднозначность действия фактора на разные функции – каждый фактор неодинаково влияет на разные функции организма. Оптимум для одних процессов может являться пессимумом для других. Так, для многих рыб температура воды, оптимальная для созревания половых продуктов, неблагоприятна для икрометания.

Принципы экологической классификации организмов

Современная систематика растений и животных построена на основе единственного главного критерия – степени родства организмов.  

, сходные пути адаптации.  Например, если мы классифицируем животных по способам движения, то в экологическую группу видов, передвигающихся в воде реактивным путем, попадут такие разные по систематическому положению животные, как медузы, головоногие моллюски, некоторые инфузории и жгутиковые, личинки ряда стрекоз и др. (рис. 7). В основу экологических классификаций могут быть положены самые разнообразные критерии: способы питания, передвижения, отношение к температуре, влажности, солености среды, давлению и т. п. Разделение всех организмов на эврибионтных и стенобионтных по широте диапазона приспособлений к среде представляет пример простейшей экологической классификации.

Другой пример – разделение организмов на группы по характеру питания. Автотрофы  – это организмы, использующие в качестве источника для построения своего тела неорганические соединения. Гетеротрофы  – все живые существа, нуждающиеся в пище органического происхождения. В свою очередь, автотрофы делятся на фототрофов и хемотрофов. 

Иначе можно построить классификацию по способу добывания пищи. 

Экологические классификации помогают выявлять возможные в природе пути приспособления организмов к среде.

Основные представления об адаптациях организмов

Основные адаптации организмов к факторам внешней среды наследственно обусловлены. Они формировались на историко-эволюционном пути биоты и изменялись вместе с изменчивостью экологических факторов. Организмы адаптированы к постоянно действующим периодическим факторам, но среди них важно различать первичные и вторичные.[ ...]

Первичные — это те факторы, которые существовали на Земле еще до возникновения жизни: температура, освещенность, приливы, отливы и др. Адаптация организмов к этим факторам наиболее древняя и наиболее совершенная.[ ...]

Вторичные периодические факторы являются следствием изменения первичных: влажность воздуха, зависящая от температуры; растительная пища, зависящая от цикличности в развитии растений; ряд биотических факторов внутривидового влияния и др. Они возникли позднее первичных и адаптация к ним не всегда четко выражена.[ ...]

В нормальных условиях в местообитании должны действовать только периодические факторы, непериодические — отсутствовать.[ ...]

Непериодические факторы обычно воздействуют катастрофически: могут вызвать болезни или даже смерть живого организма. Человек использовал это в своих интересах, искусственно вводя непериодические факторы: введением химической отравы уничтожает вредные для него организмы: паразитов, вредителей сельхозкультур, болезнетворных бактерий, вирусов и т. п. Но оказалось, что длительное воздействие этого фактора также может вызвать к нему адаптацию: насекомые адаптировались к ДДТ, бактерии и вирусы — к антибиотикам, и т. д.[ ...]

На историко-эволюционном пути развития на организмы действуют абиотические и биотические факторы в комплексе. Известны как успешные адаптации организмов к этому комплексу факторов, так и «безуспешные», т. е. вместо адаптации вид вымирает.[ ...]

Прекрасный пример успешной адаптации — эволюция лошади в течение примерно 60 млн лет от низкорослого предка до современного и красивейшего быстроногого животного с высотой в холке до 1,6 м. Противоположный этому пример — сравнительно недавнее (десятки тысяч лет назад) вымирание мамонтов. Высокоаридный, субарктический климат последнего оледенения привел к исчезновению растительности, которой питались эти животные, кстати, хорошо приспособленные к низким температурам (Величко, 1970). Кроме того, высказываются мнения, что в исчезновении мамонта «повинен» и первобытный человек, которому тоже надо было выжить: мясо мамонтов употреблялось им в качестве пищи, а шкура — спасала от холода.[ ...]

Световой режим и адаптация к нему организмов

Температура, свет и влажность являются наиболее важными факторами внешней среды. Эти факторы закономерно изменяются как в течение года и суток, так и в связи с географической зональностью. К этим факторам организмы обнаруживают зональный и сезонный характер приспособления.

Солнечное излучение является основным источником энергии для всех процессов, происходящих на Земле. В спектре солнечного излучения можно выделить три области, различные по биологическому действию: ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную.

Около 45% солнечной энергии излучается в инфракрасной области, 45% - в видимой, 10% - в ультрафиолетовой и рентгеновской областях.

Для живых организмов важны качественные признаки света - длина волны, интенсивность и продолжительность воздействия.

Ультрафиолетовая часть спектра (УФ) характеризуется самой высокой энергией квантов и высокой фотохимической активностью.

Короткие УФ-лучи с длиной волны 150-400 нм губительны для всего живого. Они практически полностью поглощаются озоновым экраном, который представляет собой тонкий слой атмосферы, содержащий молекулы озона. Озоновый экран находится на высоте около 25-35 км от поверхности Земли.

До поверхности Земли доходит лишь небольшая часть более длинных ультрафиолетовых лучей (290-380 нм). Эти лучи обладают высокой химической активностью - при большой дозе могут повреждать живые организмы. В небольших количествах, однако, они необходимы.

У животных и человека длинноволновые УФ-лучи способствуют синтезу витамина D. Они имеют загарное и бактерицидное действия. Насекомые зрительно различают эти лучи, т.е. видят в ультрафиолетовом свете. Они могут ориентироваться по поляризованному свету. У растений длинноволновые УФ-лучи способствуют синтезу некоторых биологически активных соединений (витаминов, пигментов).

Инфракрасные лучи (800-1000 нм) глаз человека не воспринимает, но они являются основным источником тепловой энергии.

Эти лучи поглощаются тканями животных и растений, вследствие чего ткани нагреваются. Многие холоднокровные животные (ящерицы, змеи, насекомые) используют солнечный свет для повышения температуры тела.

Инфракрасные лучи ускоряют ферментативные и иммунобиологические реакции, рост клеток и регенерацию тканей. У растений под их влиянием осуществляется транспирация, создаются оптимальные условия для работы устьичного аппарата.

Видимые лучи с длиной волны от 400 до 750 нм, достигающие поверхности Земли, имеют особенно большое значение для организмов.

С областью видимой радиации, воспринимаемой глазом человека, практически совпадает область физиологической радиации (от 300 до 800 нм). При этом предел от 380 до 710 нм относится к зоне высокой фотосинтетической активности.

Область физиологической радиации можно условно разделить на ряд зон:

¦ УФ - более 400 нм;

¦ сине-фиолетовую - от 400 до 500 нм;

¦ желто-зеленую - 500-600 нм;

¦ оранжево-красную - 600-700 нм;

¦ дальнюю красную - более 700 нм.

Видимый свет обеспечивает фотосинтез, имеет сигнальное и условно-рефлекторное значение для ориентировки в пространстве, усиливает биохимические процессы, иммунобиологическую реактивность.

Свет имеет разное экологическое значение для автотрофных и гетеротрофных организмов.

Растениям свет необходим для:

1) образования хлорофилла;

2) образования гран хлоропластов;

3) регуляции работы устьичного аппарата;

4) газообмена и транспирации;

5) активации ряда ферментов;

6) биосинтеза нуклеиновых кислот и белков;

7) влияния на сроки размножения, роста, цветения, плодоношения и формообразования.

Интенсивность фотосинтеза зависит от изменения длины волны света. Например, при прохождении света через воду красная и синяя части спектра отфильтровываются, а получающийся зеленоватый свет слабо поглощается хлорофиллом. Однако красные водоросли имеют дополнительные пигменты, позволяющие им использовать эту энергию и жить на больших глубинах, чем зеленые водоросли.

У некоторых растений, например у эвкалипта, фотосинтез не ингибируется прямым солнечным светом. В данном случае имеет место компенсация факторов, так как отдельные растения и целые сообщества приспосабливаются к различным интенсивностям света, становясь адаптированными к тени (диатомовые, фитопланктон) или к прямому солнечному свету.

Световой режим отдельных растительных видов зависит от:

¦ географического положения местности;

¦ высоты над уровнем моря;

¦ рельефа местности;

¦ состояния атмосферы;

¦ времени суток;

¦ сезона года;

¦ солнечной активности.

По отношению к свету выделяют три группы растений:

1. Светолюбивые - растения открытых мест с хорошей освещенностью. Это растения степей, пустынь, полупустынь (ковыль, полынь, злаки) или верхних ярусов лесов (сосна, береза).

2. Теневыносливые - растения, которые могут произрастать в условиях хорошего освещения или легко переносить некоторое затенение. Например, дуб, ель, береза, осина, сосна, зверобой, земляника.

3. Тенелюбивые - растения, которые не выносят прямого света и нормально развиваются в условиях затенения. Сюда относят растения нижних ярусов лесов - мох, папоротники, ландыши, звездчатку.

Четких границ между тремя вышеописанными экологическими группами растений не существует, так как среди них есть и переходные формы.

Для многих растений важны не только спектральный состав и интенсивность света, но и продолжительность светового времени.

Фотопериодизм - это регуляция биоритмов живых существ при помощи света. Он бывает суточный и сезонный. С фотопериодизмом у растений связано явление фототропизма - это движение отдельных органов растения к свету.

Например, движение соцветий подсолнуха в течение дня по ходу движения Солнца, раскрытие соцветий одуванчика утром и закрытие их вечером, рост комнатных растений в освещенную сторону. Это примеры суточного фотопериодизма. Растения воспринимают изменение длины дня с помощью специальных пигментов, расположенных в листьях. Их рецепторы реагируют на раздражения и вызывают ряд биохимических реакций (активация ферментов или выделение гормонов), а позднее проявляются физиологические или поведенческие реакции.

Размер соотношения длительности дня и ночи возрастает от тропиков к полярному кругу. В высоких широтах обитают растения длинного дня, для начала их цветения нужен фотопериод больше 14-15 ч. В тропиках растут растения короткого дня - фотопериод меньше 10-11 ч.

Сезонный фотопериодизм хорошо выражен в средних и северных широтах, связан со сменой времен года. С удлинением светлого времени суток и ростом температуры (весной) в растениях начинается движение сока, набухают и раскрываются почки. С наступлением осени, когда растения реагируют на изменение длины светового дня, а не на температуру, начинается листопад, подготовка к зиме.

Для животных свет не является таким необходимым фактором, как для растений. Солнечная энергия непосредственно животными не усваивается, но является источником их жизнедеятельности:

1. Солнечный свет определяет суточный фотопериодизм жизни животных и их распределение по экологическим нишам.

Всех животных можно подразделить на дневных и ночных. Большинство из них проявляет наибольшую активность днем (жаворонки, волки, зайцы). Некоторые виды (летучие мыши, совы) приспособились к ночному образу жизни. Имеются также виды, живущие в постоянной темноте и не выносящие яркого солнечного света (например, в почве, глубоких пещерах).

Дневной и ночной образы жизни почти исключают конкуренцию между животными за источники пищи.

2. Солнечный свет позволяет животным легко ориентироваться в пространстве. Эволюционно он способствовал развитию органов зрения. Цветовое зрение распространено в разных группах животных неодинаково: оно хорошо развито у некоторых видов членистоногих, рыб, птиц и млекопитающих, но у других видов этих же групп оно может отсутствовать.

3. Свет определяет и сезонный фотопериодизм. Изменение длины светового дня является пусковым механизмом последовательности физиологических процессов, приводящих к линьке и накоплению жира, размножению у птиц и млекопитающих и к наступлению диапаузы у насекомых.

Изменение длины светового дня животные воспринимают с помощью органов зрения. Животные, для которых характерны миграции (перелеты птиц), готовятся к ним, мигрируют, несмотря на еще достаточное количество тепла и кормовой базы.

Изучение фотопериодизма растений и животных показало, что их реакция на свет основана не на количестве получаемого света, а на чередовании в течение суток периодов света и темноты определенной длительности. Все организмы (от одноклеточных до человека) способны измерять время, т.е. обладают «биологическими часами». «Биологические часы» также управляются сезонными циклами и другими биологическими явлениями. «Биологические часы» определяют суточный ритм активности как целых организмов, так и процессов, происходящих даже на уровне клеток, например деление клеток.