Вопрос №1. Основные этапы в истории экологии.
Экология – наука о связях м/д организмом и организмами и окр. Средой. Экология темно связана с биосферой. Биосфера – живая оболочка Земли (совокупность живых организмов).
История становления экологии делится на неск. периодов:
Накопление эмпирических познаний о природе в эпоху Др. цивилизации. Характеризуется зарождением основ экологич. познаний. Гиппократ, Платон, Аристотель, Парацельс систематизировали знания о животных. Ученые, которые сыграли большую роль в формировании экологии.
Во времена Великих географич. открытий (Х. Колумб, А. Веспуччи, Васко де Гама, Магеллан). На формирование науки о природе повлияла колонизация новых стран (XV-XVIв), Описание новых открытых земель и растений, климатических условий: Леонардо да Винчи, Карл Линней (систематизировал вид, класс и т.д.), Дж. Бруно, Бэкон, Бифон, Кант, Ломоносов., Жан Батис Ламарк (влияние среды на организм), Александр Гумбольтд, Карл Рульс, Лепехин и т.д.
Ознаменован появлением новой эволюц. теории Ч. Дарвина (1859г). Э. Геккель заявил о целесообразности выделения экологии в отдельную науку. (1866г). К.А. Тимирязев – последователь Геккеля. 1877г – К. Мебиус ввел понятие биоценоз – закономерное сочетание разных организмов, обитающих в определенном биотопе – совокупность условий среды, в которой обитает биоценоз. Значительный вклад в развитие экологии внесли русские ученые: Бекетов, Северцев, почвовед Докучаев, Морозов (учение о лесе). В начале XX века формируются экологические школы. В 1910 году экология растений разделяется на экологию особей и сообществ. Изучались основные характеристики популяций: плотность населения, рождаемость, смертность.
Основывается на системной концепции. В.И. Вернадский – рус. Биохимик. Привлек внимание к проблеме взаимодействия живых организмов с неживой природой. Анг. Геоботаник Тенсли ввел термин для обозначения экологической системы – экосистема. Рос. Ученый Сукачев ввел понятие биогеоценоза (синоним термина экосистема). Сер. ХХ века – расширение комплекса экосистем. Обург.
Современная экология. В прошлом веке направление экологии было антропоцентрическое (Человек – царь природы). Сейчас появилось биоцентрическое направление (человек – продукт эволюции). Основная задача: сохранение биосферы и управление природными, антропогенными системами и человеч. Обществом в соответствии с законами природы.
Вопрос №2. Предмет экология.
Биосистема – природные системы, в которых живые компоненты, называемые биотическими, упорядоченно взаимодействуют с неживой физической средой, т.е. абиотическими компонентами, составляя с ними единое целое.
“Лестница жизни”:
Предметом экологии являются системы надорганизменного уровня – популяционные, экологические и биосфера.
Популяционные системы – это биосистемы, в которых биотические компоненты представлены популяциями.
Экологические системы – экосистемы, занимающие центральное место в экологии. Популяции в экосистемах объединяются в сообщество организмов – биоценоз. Экосистема – надорганизменная система, в которой биотические компоненты представлен биоценозом, а абиотический – биотопом.
Биосфера – глобальная экосистема, включающая все живые организмы. Является системой жизнеобеспечения Земли. Обычно ее подразделяют на атмосферу, гидросферу и литосферу
№3 Популяционные системы У организмов с половым размножением локальная популяция представляет собой воспроизводящуюся единицу, но она не находится в полной изоляции. Между локальными популяциями благодаря миграции и потоку генов происходит некоторое скрещивание. Многочисленные локальные популяции связаны друг с другом происходящими между ними скрещиваниями, образуя расы и биологические виды. Эти популяционные системы представляют собой воспроизводящиеся группы более инклюзивные, чем локальные популяции.Как мы уже видели, члены данной локальной популяции имеют общий генофонд. Региональная когорта локальных популяций — раса — также имеет единый генофонд, но более обширный. Еще более обширным и разнообразным генофондом обладает биологический вид, представляющий собой сумму скрещивающихся между собой рас.Видимый результат скрещивания между популяциями и между расами — это интерградация фенотипических признаков, которые подвержены региональной изменчивости в пределах вида. Именно эта интерградация фенотипических признаков даёт нам первые четкие указания на существование скрещивания между популяциями и на те каналы, по которым оно происходит. Прослеживая за интерградациями фенотипов, мы рано или поздно сталкиваемся с ясно выраженной прерывистостью в характере изменчивости. Эта прерывистость обозначает границу биологического вида. Иными словами, скрещивание между популяциями и расами не выходит за известные пределы, которые соответствуют границам вида.Как уже было сказано, границы биологического вида соответствуют пределам, в которых происходят скрещивание между популяциями и интерградация. Установив эти внешние границы, можно перейти к описанию некоторых типов внутривидовой изменчивости. Различные типы изменчивости, существующие в природе, делятся на три основных класса, которые будут рассмотрены по отдельности: 1) непрерывная географическая изменчивость, 2) прерывистая географическая изменчивость, 3) дифференциация экологических рас. В природе разные типы изменчивости нередко бывают перемешаны. Характер изменчивости данного вида может быть различным в разных частях занимаемой им области.
№4 Состав экосистемы экосистема – это надорганизменная система, в кот. биоти-ческий компонент предоставлен биоценозом(сообщество всех организмов), абиотический компонет биотопом(условие окружающей среды).Состав экосистемы предоставлен 2-мя компонентами:1)абиотические-это хим и физ элементы, к ним относ: а)неорг. Хим елементы СО2,Н2О,Са,Мg,К; б)органич. Вещ. кот Связывают абиотическую и биотическую часть экосистемы, к ним относ.:углеводы,жиры,белки.аминокисл. в)потоки энергии г)гидросфера,атмосфера,литосфера д)климатич режим (темп,влажн,давление,ветер) 2)биотические компоненты а)продуценты-это такие орг. Кот в кач. Питат. Мат-ла исп простые неорг вещ б)фотоавтотрофы исп в кач энерг солн свет в)хемоавтотрофы-исп энергию кот выдел в хим реакциях г)консументы(гетеротрофы)-орг кот исп в кач источн энерг и питат мат-ла готовые органич вещ, разд на: а)фаготрофы(отн. Крупные животные)б)саптотрофы(исп для питания орг вещ мертв остатков, отн черви,шакалы,муравьи) 3)редуценты(деструкторы)-восстанавл и разруш те же консументы кот учавств в посл стадии разруш.
№5 Свойства экосистем. Наиболее важные свойства экосистем являются следствием иерархической организации уровней жизни. По мере объединения подмножеств в более крупные у образующихся систем возникают качественно новые эмерджентные свойства, отсутствующие на предыдущем уровне. Таким образом, экосистема обладает не только суммой свойств, входящих в нее подсистем, но характеризуется собственными, присущими только ей свойствами.Взаимодействие автотрофных и гетеротрофных процессов является наиболее важной функцией любых экосистем. В течение значительного геологического периода (кембрия -600 млн. - 1 млрд. лет назад), не большая, но заметная часть синтезируемого органического вещества не расходовалась, а сохранялась и накапливалась в осадках. Преобладание скорости синтеза над скоростью разложения органических веществ явилось причиной уменьшения содержания углекислого газа и накопления кислорода в атмосфере. Это подтверждает тот факт, что состав атмосферы Земли резко отличается от условий на других планетах Солнечной системы. Установившееся соотношение скоростей автотрофных и гетеротрофных процессов может служить одной из главных функциональных характеристик экосистем. Отношение концентраций СО2 и О2 отражает соотношение скоростей этих процессов в экосистемах, т. е. соотношение аккумулированной продуцентами и рассеянной консументами энергии. При этом в разных экосистемах баланс этих процессов может быть либо положительным, либо отрицательным. Существуют системы с преобладанием автотрофных процессов, т. е. с положительным биотическим балансом (тропический лес, мелкое озеро, агроэкосистема). В других - наоборот, преобладают гетеротрофные про-цессы, т. е. имеет место отрицательный баланс горная река, город. Деятельность человека, который значительно, ускоряет процессы разложения, сжигая органическое вещество, накопленное в горючих ископаемых, ведя интенсивное сельское хозяйство, ускоряющее разложение гумуса; уничтожая леса и сжигая древесину. В воздух выбрасывается большое количество СО2 до этого связанного в угле, нефти, торфе, древесине, гумусе почв.
Принцип эмерджентности
Важное следствие иерархии организации состоит в том, что по мере объединения компонентов или подмножеств в более крупные функциональные единицы у этих новых единиц возникают новые свойства, отсутствующие на предыдущем уровне. Такие качественно новые или эмерджентные свойства экологического уровня нельзя предсказать, исходя из свойств компонентов, составляющих этот уровень, т.е. свойства целого нельзя свести к сумме свойств его частей. Например, соединим О2 и Н2 (газы), получим Н2О (жидкость), не похожую по свойству на газы О2 и Н2.
С 1911 г. в экологии выделяется два направления:
1) Аугэкология влияние окружающей среды на отдельные организмы.
2)Синэкология — такое же влияние на уровни сообществ. В 1935 г. Тенсли вводит в экологию понятие «экологическая система», охватывающее природное единство не только организмов, но и влияющее на них факторы, т.е. места обитания, температуру, влажность, свет и т.д.
В экологии выделяют следующие основные структуры:
1) Абиотические — экологические условия среды, основные органические и неорганические соединения (вода, Н2СО3, О2, азот, фосфорные и калийные соли и т.д.)
2) Биотические — продуцентоаутотрофные (самопитающиеся организмы), в основном зеленые растения.
Макроконсументы - гетеротрофные организмы (питающиеся за счёт других), главным образом животные, пожирающие другие организмы и измельчающие органические вещества.
Микроконсументы — (сопротрофы, гетеротрофные сапрофитные организмы: в переводе «сапро» — разлагать) — это бактерии и грибы, разлагающие сложные органические соединения до более простых.
Функционирование экосистем обеспечивается непрерывным материальным обменом — круговоротом питательных веществ между биотической и абиотической их частями. Экосистема характеризуется состоянием внутреннего динамического равновесия, поддерживаемого регулярным возобновлением его компонентов, вещественным энергетическим обменом и функциональной саморегуляцией во всех его звеньях, т.е. гомеостазом. Структурно близкое экосистеме понятие - биогеоценоз, т.е. совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений (атмосферы, горные породы, растительности, животного мира и мира микроорганизмов, почвы и гидрогеологических условий). В отличие от экосистемы, являющейся понятием биохорологическим, безмерным (она может быть любой размерности — от аквариума до океана и всей биосферы), биогеоценоз — категория биохорологическая в определённых рамках занимаемого пространства, в границах фитоценоза. Обе эти категории совпадают на уровне растительности и принципиально расходятся как выше, так и ниже этого уровня.
При различных формах хозяйственного использования природных ресурсов экосистем или других природных комплексов природоохранные мероприятия следует направлять на поддержание их гомеостаза, а также на сохранение потенциала существования.
При хозяйственном воздействии следует учитывать:
предел антропотолерантной устойчивости к нежелательному антропогенному влиянию, например, уплотнению почвы, влиянию пестицида — азотистых удобрений, вредных для живых организмов, шумовому загрязнению и т.п;
предел стохетолерантности, т.е. устойчивости против отрицательного стихийного влияния, например, действия на лесные массивы ураганных ветров, молний и прочих неблагоприятных условий и процессов;
предел насыщенности биологическими видами, например, млекопитающими, которые питаются растительными ресурсами;
предел потенциальной регенеративности, т.е. способности к восстановлению естественным путём;
предел гомеостатический — способность к саморегуляции.
Следовательно, экологически обоснованное рациональное природопользование должно заключаться в достижении максимально возможной биологической продуктивности экосистем и биогеоценозов, минимальном нарушении их способности к саморегуляции, в увеличении их устойчивости против отрицательного стихийного и антропогенного влияния, в поддержании их способности к самовосстановлению.
7 Образование и разложение органических веществ
Брожение - это анаэробное дыхание, при котором органическое вещество само служит акцептором электронов.
Разложение может быть результатом не только биотических, но и абиотических процессов. Так, например, степные и лесные пожары возвращают большое количество СО2 и других газов в атмосферу и минеральных веществ в почву. Они - важный и иногда даже необходимый процесс в экосистемах, где физические условия таковы, что микроорганизмы не успевают разлагать образующиеся органические остатки. Но окончательное разложение отмерших растений и животных осуществляется, в основном, гетеротрофными микроорганизмами - редуцентами, примером которых являются широко распространенные в сточных и природных водах сапрофитные бактерии. Разложение органических веществ есть результат добывания необходимых химических элементов и энергии в процессе преобразовании пищи внутри клеток их тел. При прекращении этих процессов все биогенные элементы окажутся связанными в мертвых остатках и продолжение жизни станет невозможным. Комплекс разрушителей в биосфере состоит из огромного числа видов, которые, действуя последовательно, осуществляют распад органических веществ до минеральных. Процессы образования органических веществ и их распад называют процессами продукции.
Продукционно-деструкционный баланс в биосфере в целом в современных условиях является положительным. Это обусловлено тем, что не все части отмерших растений и животных разрушаются с одинаковой скоростью. Жиры, сахара и белки разлагаются достаточно быстро, а древесина клетчатка, лигнин, хитин, кости - очень медленно. Наиболее устойчивым промежуточным продуктом разложения органических веществ является гумус, дальнейшая минерализация которого очень замедлена. Медленное разложение гумуса - одна из причин запаздывания деструкции по сравнению с продукцией. С точки зрения химии, гумусовые вещества представляют собой продукты конденсации ароматических соединений (фенолов, бензолов и др.) с продуктами распада белков и полисахаров. Для их расщепления, видимо, требуются специальные ферменты, которые часто отсутствуют у почвенных и водных сапротрофов.
Таким образом, разложение органических остатков - длительный, многоступенчатый и сложный процесс, который контролирует несколько важных функций экосистемы: возвращение элементов питания в круговорот и энергии - в систему; преобразование инертных веществ земной поверхности; образование безвредных комплексных соединений токсичных веществ; поддержание состава атмосферы, необходимого для жизни аэробов. Для биосферы в целом важнейшее значение имеет отставание процессов разложения органических веществ от процессов синтеза их зелеными растениями. Именно это отставание обусловило накопление в недрах планеты горючих ископаемых, а в атмосфере кислорода. Установившийся в биосфере положительный баланс продукционно-деструкционных процессов обеспечивает жизнь аэробных организмов, в том числе и человека.
8)Взаимодействие автотрофных и гетеротрофных процессов
Наиболее важной функцией экосистем является взаимодействие автотрофных и гетеротрофных процессов. В течение значительного геологического периода, начиная приблизительно с кембрия (600 млн. - 1 млрд. лет назад), небольшая, но заметная часть синтезируемого органического вещества не расходовалась, а сохранялась и накапливалась в осадках. Именно преобладание скорости синтеза над скоростью разложения органических веществ и явилось причиной уменьшения содержания углекислого газа и накопления кислорода в атмосфере. Зеленые организмы сыграли основную роль в формировании геохимической среды Земли, благоприятной для существования всех других организмов. Значительное накопившееся количество кислорода сделало возможными появление и эволюцию высших форм жизни. Примерно 300 млн. лет назад отмечался особенно большой избыток органической продукции, что привело к образованию горючих ископаемых. За счет накоплений этой энергии позже человек смог совершить промышленную революцию. Установившееся соотношение скоростей автотрофных и гетеротрофных процессов может служить одной из главных функциональных характеристик экосистем. Установившееся равновесие автотрофных и гетеротрофных процессов на Земле поддерживается благодаря способности экосистем и биосферы к саморегуляции.