Лекции по "Экология"

Э К О Л О Г И Я (тезисы лекций 2010/11 уч.год)

Раздел  №1. Основные понятия и законы экологии

Тезисы лекций №1, 2 и 3.Тема 1. Предмет, основные понятия и разделы экологии. Тема 2.Основные законы общей экологии.Тема 3.Развитие учения о биосфере В.И.Вернадского

В 1866 г. немецкий биолог Эрнест Геккель обозначил термином «экология» новый раздел биологии, который переводят буквально как  «наука о доме», так как он составлен из греческих слов «oikos – дом » и «logos – учение». С 1960-х годов 20 века экологич. проблемы приобрели глобальный характер.

Современная экология определила более 60-ти законов, правил и принципов, часто равнозначных по своему статусу.

Экология ─ раздел биологии, наука об отношениях растительных и животных организмов и образуемых ими сообществ между собой и с окружающей средой (далее ОС). Объектами экологии выступают отдельные особи, популяции организмов, виды, экосистемы, биосфера в целом. Предмет изучения — влияние на организмы среды их обитания (в целом и ее компонентов) и наоборот  живых организмов на ОС.

В наст. время наряду с указанной выше дисциплиной, которую также  называют «общая экология», «биоэкология», сформировались дисциплины, понятия и направления деятельности такие как «экология человека», «экологическое право», «экологическая политика», «социальная экология», «экологическая химия», «физическая экология», «инженерная экология», «промышленная экология», «прикладная экология», «экологическая экспертиза», «экологическая сертификация»,«экологический аудит», «экологическое страхование», «бытовая экология», «экологическая архитектура», «экологический туризм», «видео-экология» и т.д.  Буквальное понимание термина как «учение о доме».

Предлагаемый автором лекций вариант: «экология ─ учение о качестве условий существования и деятельности организмов, в том числе комфортных» обосновывает использование таких понятий как «экология души», «экология творчества», «экология красоты», «экология учебного процесса»  и др.

Термин «экология» популярен при формировании брендов, рекламе продукции. Расхожими стали такие характеристики как «экологически чистый продукт», «экологически чистая технология», «экологически чистое производство» и др.

Основные понятия экологии:Согласно экологии живой мир не простая совокупность существ, а единая система, сцементированная множеством цепочек питания и иных взаимодействий. Каждый организм может существовать только при условии постоянной тесной связи со средой.

Экологическая система (или биогеоценоз) ─ совокупность сообщества и среды обитания. Биота (биотич. среда) ─ все живое, окружающее организм в среде обитания.

            Биотические факторы ─ совокупность факторов жизнедеятельности одних организмов, влияющих на жизнедеятельность других.

            Биоэкология имеет 3раздела: 1)  аутэкология исследует взаимодействие отдельных организмов и видов со средой, а синэкология  изучает сообщество. 2) разделение  по типам сред, или местообитаний: экология пресных вод, моря, суши, океана. 3) разделение на таксономические ветви — экология растений,  насекомых, позвоночных и т.д. вплоть до экологии человека.

          Популяция ─ группа организмов, относящихся к одному виду и занимающая определенную область.    

          Сообщества или биоценозы ─ совокупность растений и животных, населяющих участок среды обитания.

          Экологич. ниша ─ совокупность условий, необходимых для существования популяции.

          В составе экосистемы выделяют 3 неживых и 3 живых компонента: 1.1) неорганич. вещества (азот, СО2, вода и др.), включающиеся в природные кругообороты; 1.2) органич. соединения (белки, углеводы и т.д.); 1.3) климатич. режим (темп-ра, свет, влажность и др. физич. факторы); 2.1) продуценты (автотрофные организмы, главным образом зеленые растения, создающие пищу из простых неорганич. веществ); 2.2) макроконсументы — гетеротрофные организмы, главным образом животные, которые поедают другие организмы; 2.3) микроконсументы, или редуценты, — гетеротрофные организмы, преимущественно бактерии и грибы, которые разрушают сложные соединения мертвой протоплазмы, поглощают некоторые продукты разложения и высвобождают неорганич. питательные вещества, пригодные для использования продуцентами, а также органич. вещества, способные служить источниками энергии, быть ингибиторами (замедлителями) или стимуляторами для др. биотич. компонентов экосистемы.

      Интенсивность метаболизма (обмен веществ с окружающей средой)  в экосистеме и его относительная стабильность определяют в значительной мере поток солнечной энергии и веществ.

       Отдельные организмы не только приспособлены к физич. cреде, но и благодаря совместным действием в рамках экосистемы приспосабливают геохимич. среду к своим биологич. потребностям. Из простых веществ, содержащихся в море, в результате деятельности животных (кораллов и др.) и растений построены целые острова (аналогичные городам, созданным человеком).

              Состав атмосферы наряду с природными явлениями ( извержения вулканов и т.п.) также регулируется организмами.

     В создании кислорода атмосферы и органических веществ главную роль играет фотосинтез, протекающий по схеме:

6 СО2 + 6Н2О     + (Солнечная энергия,  хлорофилл)   C6Н12О6     (глюкоза) + 6 О2

  Продукты фотосинтеза ─ углеводы (глюкоза),  аминокислоты, белки и др. жизненно важные соединения.

      Урожай, получаемый человеком, составляет 1% чистой или 0,5% общей первичной продукции биосферы, если учитывать только потребление пищи человеком. Вместе с домашними животными это 6% чистой продукции биосферы или 12% чистой продукции суши.

       Закон убывающей отдачи А. Тюрго—Т. Мальтуса: «Повышение удельного вложения энергии в агросистему не дает адекватного пропорционального увеличения ее продуктивности (урожайности)».Пример:Энергия, расходуемая человеком для увеличения урожая, называется добавочной энергией. «Индустриализованное сельское хоз. ( например, в Японии) может дать в 4 раза более высокий урожай с га, чем сельское хоз., в к-ром всю работу выполняют люди и домашние животные (как в Индии), но оно требует в 10 раз больше ресурсов и энергии»

              Замкнутость производственных циклов по энергетически-энтропийному параметру теоретически невозможна, поскольку энергетич. процессы в соответствии со вторым началом термодинамики сопровождают деградация энергии и повышение энтропии природной среды.

       В отличие от энергии, которая однажды использованная организмом превращается в тепло и теряется для экосистемы, вещества циркулируют в биосфере, что и называется биогеохимич. круговоротами. Из 90 с лишним природных элементов около 40 нужны живым организмам. Наиболее важные для них и требующиеся в больших количествах: С, Н, О, N. Кислород поступает в атмосферу в результате фотосинтеза и расходуется opганизмами при дыхании и в процессах горения и окисления в технике и быту. Азот извлекают из атмосферы азотфиксирующие бактерии, а возвращают азот  в атмосферу другие бактерии.

   Закон глобального замыкания биогеохимич. круговорота в биосфере действует на всех этапах ее развития. Правило увеличения замкнутости биогеохимич. круговорота ─ в процессе эволюции биосферы увеличивается роль биологич. компонента в замыкании биогеохимич. круговорота.

       Самоочищение ОС — способность геосистем устранять загрязняющее действие привнесенных веществ или энергии и восстанавливать после загрязнения свои первичные свойства благодаря природным процессам разложения, сорбции, растворения или разбавления, выноса за пределы ландшафта и др. Самоочищение ОС зависит от  скорости и характера природных химич. и биохимич. превращений веществ, их переноса и др. С падением интенсивности круговорота веществ и преобладания процессов их накопления самоочищение ОС ослабевает и может практически отсутствовать.

   Круговороты элементов и веществ осуществляются за счет саморегулирующих процессов, в которых участвуют все составные части экосистем.

         Закон минимума (химик Ю. Либих,1840 г.): «Веществом, находящимся в  минимуме, управляется урожай и определяется величина и устойчивость последнего во времени». Впоследствии к питательным веществам добавили ряд др. факторов, например темп-туру.

        Закон толерантности: «отсутствие или невозможность развития экосистемы определяют не только недостаток, но и избыток любого из факторов (тепла, света, воды)». (Суть отражает рис.1 ). Жизнь организмов определяют как экологич. минимум, так и максимум. Диапазон между двумя величинами составляет пределы толерантности, в которых организм нормально реагирует на влияние среды

Рис.1.  Интерпретация закона толерантности на примере воздействия на организм концентрации некоего вещества как экологич. фактора: С'лет, Слет,     С'лим, Слим, Сопт , См, С ПДК - концентрации.Летальная

лимитирующая, оптимальная, максимальная и предельнодопустимая (Николайкин Н.И. Экология, стр.80).

    Концепция лимитирующих факторов. Важными экологич. факторами являются свет, темп-ра и вода (осадки), а в море — свет, темп-тура и соленость и др. Факторы  могут быть лимитирующими и наоборот благоприятно влияющими, зависящими друг от друга и действующими согласованно.

   Согласно закону  минимума Либиха лимитирующее воздействие оказывают жизненно важные химич. элементы, присутствующие в среде в небольших и непостоянных количествах. Их называют микроэлементами, и к ним относят Fe, Cu, Zn, B, Si, Mo, Cl, V,Co, J, Na. Многие микроэлементы действуют как катализаторы.

   P,K,Ca,S,Mg, требующиеся организмам в сравнительно больших количествах, называют макроэлементами.

   Важный лимитирующий фактор ─ загрязнение природной среды веществами, которых в ней либо не было (металлы, новые синтезированные химич. вещества) и которые не разлагаются вовсе, либо существующие в биосфере (например, СО2, тепло, вибрация, шум и др.), но вносимые в чрезмерных объемах, не дающих возможности переработать их естественным способом. Загрязнение увеличивается из-за роста населения, его потребностей и использования некачественных технологий.

      Цена загрязнения — потеря здоровья, затраты на его восстановление, упущенные возможности из-за снижения (потери) трудоспособности, потеря естественных благ – здоровой земли, воздуха, воды и т.п.

Преодоление лимитирующих факторов требует огромных затрат вещества и энергии. Например, для удвоения урожая при современных технологиях необходимо десятикратное увеличение количества удобрений, ядохимикатов и мощностей (животных или машин).

  К лимитирующим факторам относят и численность популяции ─ как «недонаселенность», так и перенаселенность могут оказывать лимитирующее влияние.

       Закон конкурентного исключения: 2 вида, занимающие одну экологич. нишу, не могут сосуществовать в одном месте неограниченно долго. В сходных условиях победить может каждый. Для победы важна скорость роста популяции. Неспособность вида к биотической конкуренции ведет к его оттеснению и необходимости приспособления к более трудным условиям и факторам.

        В применении к человечеству можно говорить об экологич. соперничестве между странами и даже экологич. войнах или войнах, обусловленных экологич. причинами (прогнозы о войнах за чистую воду).

       Основной закон экологии: развиваются не только организмы и виды, но и экосистемы.

       Сукцессия ─ последовательность сообществ, сменяющих друг друга в данном районе.Сукцессия происходит в результате изменения физической среды под действием сообщества.

              Популяции, модифицируя ОС, создают условия, благоприятные для др. популяций; это продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие между биотическими и абиотическими компонентами (живыми и неорганич. компонентами, факторами).

      Сукцессия состоит из стадий роста, стабилизации и климакса. Стадии различают по критерию продуктивности: на 1-ой стадии роста продукция растет до максимума (растущая экосистема), на 2-ой стадии стабилизации продукция остается постоянной (зрелая экосистема), на 3-ей стадии климакса продукция уменьшается до нуля по мере деградации системы.

Обратная зависимость между энтропией и информацией, а также факт развития экосистем в направлении повышения их устойчивости за счет увеличения разнообразия является следствием закона биологич. разнообразия. Известно около 2 млн видов живых организмов. До возникновения науки экологии считали, что эволюция ведет к замене одних менее сложных видов другими, вплоть до человека как венца природы. Менее сложные виды, дав дорогу более сложным, становятся не нужны. Экология разрушила этот удобный для человека миф и показала, что опасно уменьшать многообразие природы (как это делает современный человек).

2010 год ООН объявлен как сохранения биологического разнообразия!!!

Одно- и двухвидовые сообщества весьма нестабильны из-за возможности больших колебаний плотности популяций. Это обстоятельство определяет эволюцию экосистемы к зрелому состоянию. На зрелой стадии увеличивается регуляция по типу обратной связи,  направленной на поддержание стабильности системы.