Вопрос 1 Экология и её связь с другими науками Экология обычно рассматривается как подотрасль биологии, общей науки о живых организмах. Живые организмы могут изучаться на различных уровнях, начиная от отдельных атомов и молекул и кончая популяциями, биоценозами и биосферой в целом. Экология также изучает среду в которой они живут и её проблемы. Экология связана со многими другими науками именно потому, что она изучает организацию живых организмов на очень высоком уровне, исследует связи между организмами и их средой обитания. Экология тесно связана с такими науками, как биология, химия, математика, география, физика.  Современная экология изучает взаимоотношения человека и биосферы, техносферы с окружающей её природной средой и другие проблемы. А сам процесс проникновения проблем и идей экологии в другие области знаний получил название экологизации.

Вопрос 2 Экологический фактор. Диаграмма выживания

Экологические факторы – это определенные условия и элементы среды, которые оказывают специфическое воздействие на живой организм. Организм реагирует на действие экологических факторов приспособительными реакциями. Экологические факторы определяют условия существования организмов.

Классификация экологических факторов (по происхождению)

          1. Абиотические факторы – это совокупность факторов неживой природы, влияющих на жизнь и распространение живых организмов. Среди них различают:

          1.1. Физические факторы – такие факторы, источником которых служит физическое состояние или явление (например, температура, давление, влажность, движение воздуха и др.).

          1.2. Химические факторы – такие факторы, которые обусловлены химическим составом среды (соленость воды, содержание кислорода в воздухе и др.).

          1.3. Эдафические факторы (почвенные) – совокупность химических, физических, механических свойств почв и горных пород, оказывающих воздействие как на организмы, для которых они являются средой обитания, так и на корневую систему растений (влажность, структура почвы, содержание биогенных элементов и др.).

          2. Биотические факторы – совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на жизнедеятельность других, а также на неживую компоненту среды обитания.

          2.1. Внутривидовые взаимодействия характеризуют взаимоотношения между организмами на популяционном уровне. В основе их лежит внутривидовая конкуренция.

            2.2. Межвидовые взаимодействия характеризуют взаимоотношения между различными видами, которые могут быть благоприятными, неблагоприятными и нейтральными. Соответственно, обозначим характер воздействия  +, – или 0. Тогда возможны следующие типы комбинаций межвидовых взаимоотношений:

          2.3. Воздействие на неживую природу (микроклимат). Например, в лесу под влиянием растительного покрова создаётся особый микроклимат, или микросреда, где по сравнению с открытым местообитанием создаётся свой температурно–влажностной режим: зимой здесь на несколько градусов теплее, летом – прохладнее и влажнее. Особая микросреда создаётся также в кроне деревьев, в норах, в пещерах и т. п.

          3. Антропогенные факторы – факторы, порожденные деятельностью человека и воздействующие на окружающую природную среду: непосредственное воздействие человека на организмы или воздействие на организмы через изменение человеком их среды обитания (загрязнение окружающей среды, эрозия почв, уничтожение лесов, опустынивание, сокращение биологического разнообразия, изменение климата и др.).

КРИВАЯ ВЫЖИВАНИЯ

График, показывающий, как по мере старения снижается численность особей одного возраста в популяции. Различают 3 основных типа кривой, между которыми возможны все переходы. Кривая I соответствует популяции, большинство членов которой доживает до возраста, близкого к максимально возможному для данного вида; характерна для популяций некоторых крупных млекопитающих. Кривая II отражает равную вероятность гибели особей в любом возрасте и свойственна многим природным популяциям птиц и пресмыкающихся. Кривая III соответствует очень высокой смертности в раннем возрасте, а для особей, переживших этот период, вероятность смерти низка. Такая кривая характерна для многих растений, беспозвоночных и рыб, у которых основная гибель приходится на ранние стадии развития. Данные, служащие для построения КВ, используются также в демографических таблицах (таблицах выживания).

Вопрос 3 Основные законы экологии Закон минимума Ю. Либиха. По стационарного состояния лимитирующей будет то вещество, доступное количество которой наиболее близка к необходимому минимуму. Устойчивость организма определяется слабым звеном в цепи его экологических потребностей.

Закон толерантности (закон Шелфорда). Отсутствие или невозможность развития экосистемы определяется не только недостатком, но и избытком любого из факторов (тепло, свет, вода и т.д.). Фактором, лимитирующим процветание организма, может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, диапазон между которыми определяет степень выносливости (толерантности) организма к данному фактора.

Закон конкурентного исключения. Два вида, занимающие одну экологическую нишу, не могут сосуществовать в одном месте бесконечно долго.

Закон биогенной миграции атомов (закон В. И. Вернадского). Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется под преобладающим влиянием живого вещества, организмов.

Закон внутреннего динамического равновесия. Вещество, энергия, информация и динамические качества отдельных природных систем находятся в тесной взаимосвязи. Изменение одного из показателей неминуемо приводит к функционально-структурных изменений других при сохранении общих качеств системы — вещественно-энергетических, информационных и динамических.

Закон генетического разнообразия. Все живое генетически разное и имеет тенденцию к увеличению биологической разнородности.

Закон исторической необратимости. Общий процесс развития биосферы и человечества однонаправленный.

Закон константности (сформулированный В. И. Вернадским). Количество живого вещества биосферы, образованной за определенный геологическое время, является постоянной величиной.

Закон корреляции (сформулированный Ж. Кювье). В организме как целостной системе все части соответствуют друг другу как по строению, так и по функциям.

Закон максимизации энергии (сформулированный Г. и Ю. Одум и дополнен М. Реймерсом). В конкуренции с другими системами сохраняется та из них, наиболее способствует поступлению энергии и информации и использует максимальную их количество эффективно.

Закон максимума биогенной энергии (закон Вернадского-Бауэра). Любая биологическая и бионедоскональная система, находящаяся в состоянии устойчивости неравновесия (динамически подвижного равновесия с окружающей средой), увеличивает, развиваясь, свое влияние на среду.

Закон ограниченности природных ресурсов. Все природные ресурсы в условиях Земли исчерпывающие.

Закон однонаправленности потока энергии. Энергия, которую получает экосистема и которая усваивается продуцентами, рассеивается или вместе с их биомассой необратимо передается консументам первого, второго, третьего и других порядков, а затем редуцентам, сопровождающееся потерей определенного количества энергии на каждом трофическом уровне как следствие процессов , сопровождающие дыхание.

Закон оптимальности. Никакая система не может сужаться или расширяться до бесконечности.

Закон пирамиды энергий (сформулированный Р. Линдемана). С одного трофического уровня экологической пирамиды на другой переходит в среднем не более 10% энергии.

Закон равнозначности условий жизни. Все естественные условия среды, необходимые для жизни, играют равнозначные роли.

Закон развития окружающей среды. Любая естественная система развивается лишь за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей среды.

Закон уменьшения энергоотдачи в природопользовании. Процесс получения из природных систем полезной продукции, со временем (в историческом аспекте) на ее изготовление в среднем расходуется все больше энергии (возрастают энергетические затраты на одного человека).

Закон совокупного действия естественных факторов (закон Митчерлиха-Тинемана-баулы). Размер урожая зависит от всей совокупности экологических факторов одновременно.

Закон грунтостомлення (снижение плодородия). Из-за длительного использования и нарушения естественных процессов почвообразования происходит постепенное снижение естественного плодородия почв.

Закон физико-химического единства живого вещества (сформулированный В. И. Вернадским). Вся живое вещество Земли имеет единую физико-химическую природу.

Закон экологической корреляции. В экосистеме живое вещество и абиотические компоненты функционально соответствуют друг другу, выпадение одной части системы неизбежно приводит к выключению связанных с ней других частей экосистемы и функциональных изменений.

Законы Б. Коммонера

— Все связано со всем;

— Все должно куда деваться;

— Природа знает лучше;

— Ничто не дается даром.

Закон эмерджентности. Целое всегда имеет особые свойства, отсутствующие в его частей.

Закон необходимого разнообразия. Система не может состоять из абсолютно идентичных элементов, но может иметь иерархическую организацию и интегративные уровне.

Закон необратимости эволюции. Организм (популяция, вид) не может вернуться к прежнему состоянию, реализованного его предками.

Закон усложнения организации. Историческое развитие живых организмов приводит к усложнению их организации путем дифференциации органов и функций.

Биогенный закон (Э. Геккель). Онтогенез организма является кратким повторением филогенеза данного вида, т.е. развитие индивида сокращенно повторяет историческое развитие своего вида.

Закон неравномерности развития частей систем. Система одного вида развивается не совсем синхронно — в то время, когда один достигает более высокой стадии развития, другие остаются в менее развитом состоянии.

Закон сохранения жизни. Жизнь может существовать только в процессе движения через живое тело потока веществ, энергии, информации.

Принцип сохранения упорядоченности (И. Пригожин). В открытых системах энтропия не возрастает, а уменьшается, пока не достигается минимальная постоянная величина.

Принцип Ле Шателье-Брауна. Если есть внешнее воздействие, выводящее систему из состояния устойчивости равновесия, это равновесие смещается в направлении ослабления эффекта внешнего воздействия.

Принцип экономии энергии (Л. Онсагер). По вероятности развития процесса в некотором множестве направлений, допускаемых началами термодинамики, реализуется тот, который обеспечивает минимум рассеивания энергии.

Закон максимизации энергии и информации. Наилучшие шансы самосохранения имеет система, в наибольшей степени способствует поступлению, выработке и эффективному использованию энергии и информации; максимальное поступление веществ не гарантирует системе успеха в конкурентной борьбе.

Периодический закон географической зональности А.А. Григорьева-М М. Будыко. С изменением физико-географических поясов Земли аналогичные ландшафтные зоны и некоторые общие свойства периодически повторяются, то есть в каждом поясе — субарктическом, умеренном, субтропическом, тропическом и экваториальном — происходит смена зон по схеме: леса — степи — пустыни.

Закон развития системы за счет окружающей среды. Любая система может развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей среды; абсолютно изолированное саморазвитие невозможно.

Правило затухания процессов. С ростом степени зривноважености с окружающей средой или внутреннего гомеостаза (в случае изолированности системы) динамические процессы в системе затухают.

Закон физико-химической единства живого вещества В.И. Вернадского. Вся живое вещество Земли физико-химически едина, что не исключает биогеохимических различий.

Термодинамическое правило Вант-Гоффа-Аррениуса. Рост температуры на 10° С приводит к 2-3-кратного ускорения химических процессов.

Правило Шредингера «о питании организма отрицательной энтропией». При упорядоченности организма лучше окружающую среду он отдает в эту среду больше неупорядоченности, чем получает.

Правило ускорения эволюции. С ростом сложности организации биосистем продолжительность существования вида в среднем сокращается, а темпы эволюции возрастают.

Принцип генетической предадаптации. Способность к приспособлению у организмов заложена изначально и обусловлена практической неисчерпаемостью генетического кода.

Правило происхождения новых видов от неспециализированных предков. «Новые крупные группы организмов берут начало не от специализированных представителей предков, а от их сравнительно неспециализированных групп».

Принцип дивергенции Ч. Дарвина. Филогенез любой группы сопровождается ее делением на ряд филогенетических ветвей, которые расходятся в разных адаптивных направлениях от среднего исходного состояния.

Принцип прогресса специализации. Группа, ступает на путь специализации, в дальнейшем развитии будет идти по пути все более глубокой специализации.

Правило более высоких шансов вымирания глубоко специализированных форм (А. Марш). Скорее вымирают более специализированные формы, генетические резервы которых для дальнейшей адаптации снижены.

Закон увеличения размеров (роста) и веса (массы) организмов в филогенетической ветви (В. И. Вернадский). В ходе геологического времени формы, которые выживают, увеличивают свои размеры (а следовательно — вес), а затем вымирают.

Аксиома адаптивности Ч. Дарвина. Каждый вид адаптирован к определенной, специфической для него, совокупности условий существования.

Экологическое правило С. С. Шварца. Каждое изменение условий существования прямо или косвенно вызывает соответствующие изменения способов реализации энергетического баланса организма.

Закон относительной независимости адаптации. Высокая адаптивность к одному из экологических факторов не дает такой же степени приспособляемости через физиолого-морфологические свойства организмов.

Закон единства «организм-среда». Жизнь развивается вследствие постоянного обмена веществом и информацией на базе потока энергии в совокупном единстве среды и организмов, его населяющих.

Правило соответствия условий среды генетической предопределенности организма. Вид может существовать только тогда, когда окружающая среда соответствует генетическим возможностям приспособления этого вида к его колебаниям и изменениям.

Закон ограниченного роста (Ч. Дарвин). Существуют ограничения, которые препятствуют тому, чтобы потомки одной пары особей, размножаясь по геометрической прогрессией, заполонили весь земной шар.

Принцип минимального размера популяций. Существует минимальный размер популяции, ниже которого ее численность не может опускаться.

Правило А. Уоллеса. По мере продвижения с севера на юг видовое разнообразие возрастает. Причина заключается в том, что северные биоценозы исторически молодые и находятся в условиях меньшего поступления энергии от Солнца.

Закон обеднение живого вещества в его сгущения (Г. Ф. Хильми). Индивидуальная система, которая работает в среде с более низким уровнем организации, чем уровень самой системы, обречена: постоянно теряя структуру, система через некоторое время растворяется в окружающей среде.

Правило биологического усиления. При условии перехода на более высокий уровень экологической пирамиды накопления ряда веществ, в том числе токсичных и радиоактивных, возрастает примерно в такой же пропорции.

Правило экологического дублирования. Пропавший или уничтоженный вид в рамках одного уровня экологической пирамиды заменяет другой, аналогичный по схеме: мелкий заменяет большого, нижеорганизованный — более высокоорганизованного, более генетически лабильный и мутабельный менее генетически изменчивого.

Правило обязательности заполнения экологических ниш. Пустая экологическая ниша всегда и обязательно заполняется.

Правило экотопов, или краевого эффекта. На рубеже биоценозов растет число видов и особей в них, поскольку растет число экологических ниш в результате возникновения на грани новых системных свойств.

Правило взаемопристосованости организмов в биоценозе К. Мебиуса -Г.Ф. Морозова. Виды в биоценозе приспособлены друг к другу настолько, что их сообщество составляет внутренне противоречивое, но единое и взаимосвязанное целое.

Принцип формирования экосистемы. Длительное существование организмов возможно лишь в рамках экологических систем, где их компоненты и элементы дополняют друг друга и взаимно приспособлены.

Закон сукцесийних замедление. Процессы, происходящие в зрелых равновесных системах, находящихся в устойчивом состоянии, имеют тенденцию к снижению темпов.

Правило максимума энергии поддержания зрелой системы. Сукцессия идет в направлении фундаментального смещения потока энергии в сторону увеличения ее количества в целях поддержки системы.

Правило константности числа видов в биосфере. Число видов, появляющихся в среднем соответствует числу вымерших, и общее видовое разнообразие в биосфере является постоянной.

Правило множественности экосистем. Множественность конкурентно взаимодействующих экосистем является обязательным для поддержания надежности биосферы.

Вопрос 4 Экологическая ниша

Экологическая ниша – это совокупность экологических факторов – абиотических и биотических (включая ритмику их изменения) – необходимых для существования популяции в экосистеме.

Корни понятия «экологическая ниша» теряются в работах зоологов начала ХХ столетия. Первым его использовал Дж. Гринел (Grinnell, 1914), который понимал под нишей пространство, занимаемое видом в экосистеме (хотя термин «экосистема» в то время еще не был предложен). Спустя 13 лет Ч. Элтон (Elton,1927) использовал понятие «экологическая ниша» для обозначения способа питания вида, т.е. его места в пищевых цепях. Однако наиболее полное представление о нише связано с именем Дж. Хатчинсона (Hutchinson, 1957), который рассматривал как экологическую нишу всю сумму связей вида с абиотическими и биотическими факторами. По Ю. Одуму (1986), экологическая ниша – это «профессия вида в экосистеме» (т.е. из какого сырья он производит органическое вещество, где он работает, каков его рабочий график и кто принимает его продукцию для дальнейшей переработки).

Поскольку число факторов, определяющих нишу велико, Хатчинсон предложил «n‑мерную модель». В этой модели каждому фактору среды соответствует одна ось абстрактного гиперпространства, т.е. пространства с числом осей больше трех (как в физическом пространстве). И в этом гиперпространстве каждый вид, представленный популяцией, занимает определенный гиперобъем. Гиперобъемы ниш разных видов перекрываются, но не совпадают.

Вопрос 5 Экологическая система. Схема экологической системы. Основные компоненты

Э кологическая система – это взаимосвязанная, единая функциональная совокупность живых организмов и среды их обитания. Составными частями экосистемы являются биоценоз (совокупность живых организмов) и биотоп (место их жизни, неживые компоненты).

ЭКОСИСТЕМА = БИОЦЕНОЗ + БИОТОП

Термин «экосистема» предложен в 1935 г. английским экологом А. Тенсли. Экосистема – понятие очень широкое и применимо как к естественным, так и к искусственным комплексам. Для обозначения природных экосистем используется термин «биогеоценоз»  (Сукачев В.Н.).

Классификация природных экосистем

К лассификация природных экосистем базируется на ландшафтном подходе. Ландшафт – природный географический комплекс, в котором все основные компоненты (рельеф, верхние горизонты литосферы, климат, воды, почвы, растительность, животный мир) находятся в сложном взаимодействии, образуя однородную по условиям развития единую систему.

Наземные природные экосистемы:

тундра (арктическая и альпийская), бореальные хвойные леса, листопадный лес умеренной зоны, степи, саванны, пустыня, тропический лес.

Основными лимитирующими факторами суши являются среднегодовая температура и количество осадков.

Пресноводные экосистемы подразделяются на:

·        лентические (стоячие водоемы) – озера, пруды, водохранилища;

·        лотические (проточные водоемы) – реки, ручьи;

·        болота

Лимитирующие факторы водной среды: течение, глубина (увеличивается давление, уменьшается прозрачность), температура.

Проточные водоемы имеют две зоны:

·        мелководные перекаты (с быстрым течением);

·        глубоководные плёсы (спокойные реки).