Лекции по "Экология"

ign:justify">Высокая продуктивность дает низкую надежность — это еще один вариант  формулировки основного закона экологии, из которой вытекает правило: «Оптимальная эффективность всегда меньше максимальной». Разнообразие по основному закону экологии непосредственно связано с устойчивостью.

Стратегия экосистем — «наибольшая защита», стратегия человека — «максимум продукции».

   Общество стремится получить с осваиваемой территории максимальный урожай и для осуществления своей цели создает искусственные экосистемы, а также замедляет развитие экосистем на ранних стадиях сукцессии, на которых можно собрать максимальный урожай. Сами же экосистемы стремятся развиваться в направлении достижения максимальной стабильности.

    Повышение человеком эффективности экосистемы повышает затраты на ее поддержание вплоть до какого-то предела, когда дальнейшее повышение эффективности невыгодно из-за слишком большого роста затрат. Как показывает история преобразовательной деятельности человека и науки экологии, все крайние варианты, как правиле не являются лучшими.

   Для пастбищ негативны и «перевыпас» (приводивший, как считают ученые, к гибели цивилизаций), и «недовыпас» скота, поскольку при отсутствии прямого потребления живых растений детрит, может накапливаться быстрее, чем идет его разложение микроорганизмами, и это замедляет круговорот минеральных веществ.Детрит ─ образующиеся из отмерших растений и животных и их выделений мелкие частицы органических или частично минерализованных веществ, взвешенные в воде или осевшие на дно.

         Учеными помимо указанных выше разработано еще более 50 др. экологич. законов, принципов и правил. Укажем из-за ограниченности времени только нек-рые из них.

   Закон эмерджентности: целое всегда имеет особые свойства, отсутствующие у его частей.

   Закон необратимости эволюции: организм (популяция, вид) не может вернуться к прежнему состоянию, существовавшему в ряду его предков.

        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 до тех пор, пока не достигается минимальная постоянная величина, всегда большая нуля.

       Принцип Ле Шателье — Брауна: при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в направлении ослабления эффекта внешнего воздействия.

Принцип экономии энергии (Л.Онзагер): при вероятности развития процесса в некотором множестве направлений, допускаемых термодинамикой, реализуется то, которое обеспечивает минимум рассеивания энергии.

Закон максимизации энергии и информации: наилучшие шансы на самосохранение имеет система, в наибольш. степени способствующая поступлению, выработке и эффективному использованию энергии и информации. Максимальное поступление вещества не гарантирует системе успеха в конкурентной борьбе.

Закон физико-химич. единства живого вещества В.И. Вернадского: всё живое вещество Земли физико-химически едино, что не исключает биогеохимических различий.

Правило ускорения эволюции: с ростом сложности организации биосистем продолжительность существования вида в среднем сокращается, а темпы эволюции возрастают. Средняя продолжительность существования вида птиц — 2 млн лет, вида млекопитающих 800 тыс. лет. Число вымерших видов птиц и млекопитающих в сравнении со всем их количеством велико.

       Аксиома адаптированности Ч. Дарвина: каждый вид адаптирован к строго определенной, специфичной для него совокупности условий существования. 

      Закон единства «организм—среда»: жизнь развивается при постоянном обмене веществом и информацией на базе потока энергии в совокупном единстве среды и населяющих ее организмов.

       Закон давления среды жизни, или ограниченного роста (Ч. Дарвин): имеются ограничения, препятствующие тому, чтобы потомство одной пары особей, размножаясь в геометрической прогрессии, заполонило весь земной шар.

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

      Закон пирамиды энергий (Р. Линдеман): с одного трофического уровня экологической пирамиды на другой, более высокий уровень переходит в среднем около 10% поступившей на предыдущий уровень энергии (табл.1). Обратный поток с более высоких на более низкие уровни намного слабее — не более 0,5—0,25%, и потому говорить о круговороте энергии в биоценозе не приходится.

 

 

 

 

Табл. 1.Соотношение вещества и энергии в пищевой цепи «люцерна—теленок-ребенок»

 

        Правило биологич.усиления: при переходе на более высокий уровень экологич. пирамиды накопление ряда веществ, в том числе токсичных и радиоактивных, увеличивается примерно в такой же пропорции.

          Правило обязательности заполнения экологич. ниш: пустующая экологич. ниша всегда и обязательно бывает естественно заполнена («природа не терпит пустоты»).

        Правило экотона, или краевого эффекта: на стыках биоценозов увеличивается число видов и особей в них, так как возрастает число экологических ниш из-за возникновения на стыках новых системных свойств.   

        Правило множественности экосистем: множественность конкурентно-взаимодействующих экосистем обязательна для поддержания надежности биосферы.

         Закон бережливости использования живым веществом простых химич. тел: раз вошедший элемент проходит длинный ряд состояний, и организм вводит в себя только необходимое количество элементов. Формы нахождения химич. элементов: 1) горные породы и минералы; 2) магмы; 3) рассеянные элементы; 4) живое вещество.

       Тема 3.Развитие учения о биосфере Владимира Ивановича Вернадского.  Вклад русских ученых в биологию и экологию велик. Первые модели происхождения жизни созданы А.И. Опариным. Почвовед В.В. Докучаев создал учение о почве как своеобразной оболочке Земли, являющейся единым целым, включающим в себя живые и неживые компоненты. Учение о биосфере Вернадского (ученик Докучаева)  ─ продолжение и распространение идей Докучаева на более широкую сферу реальности.

   Первое понятия о «биосфере» ─ совокупность всех живых организмов на Земле. Вернадский понимал биосферу более широко  как сферу единства живого и неживого.

    Такое толкование определило взгляд Вернадского на проблему происхождения жизни. Из нескольких вариантов: I) жизнь возникла до образования Земли и была занесена на нее; 2) жизнь зародилась после образования Земли: 3) жизнь возникла вместе с формированием Земли В.И.Вернадский придерживался последнего. Биосфера Вернадского ─ тонкая оболочка Земли, в которой все процессы протекают под прямым воздействием  живых организмов. Биосфера располагается на стыке литосферы, гидросферы и атмосферы. В атмосфере верхние границы жизни определяет озоновый экран — тонкий ( несколько мм ) слой О3 на высоте около 20 км. Океан населен жизнью до дна самых глубоких впадин в 10—11 км. В глубь Земли жизнь проникает до 3 км (бактерии в нефтяных месторождениях).

    По Вернадскому практически все элементы из табл. Менделеева включены в живое вещество. Три биогеохимических принципа Вернадского:1)Биогенная миграция хим. элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению. 2)Эволюция видов в ходе геологич. времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов. 3)Живое вещество находится в непрерывном хим. обмене с окружающей средой, создающейся и поддерживающейся на Земле космич. энергией Солнца.

    Данные геохимич.принципы соотносятся с др. выводами Вернадского: 1) Каждый организм может существовать только при условии постоянной тесной связи с др. организмами и неживой природой. 2) Жизнь со всеми ее проявлениями произвела глубокие изменения на нашей планете. Совершенствуясь в процессе эволюции, живые организмы все шире распространялись по планете, стимулируя перераспределение энергии и вещества. Напр., эволюцию форм жизни обеспечило то, что в течение большей части геологич. времени часть продуцируемого органич. вещества не разлагалась и преобладание органич. синтеза качественно изменило первичную атмосферу Земли за счет трансформации в  углекислого газа ( СО2), основного компонента первичной атмосферы, в кислород ( О2).

        Биосфера играет коcмич. роль в трансформации энергии. По Вернадскому живые организмы ─ механизмы (инструменты)  превращения энергии. «Можно рассматривать всю эту часть живой природы как дальнейшее развитие одного и того же процесса превращения солнечной световой энергии в действенную энергию Земли».

          Космич. энергия вызывает давление жизни ─ размножение организмов, которое уменьшается по мере увеличения их количества. Размеры популяции возрастают до тех пор, пока среда может выдерживать их дальнейшее увеличение. После этого численность колеблется вблизи равновесного уровня.

        Растекание жизни есть проявление ее геохимич. энергии. Живое вещество, подобно газу, растекается по земной поверхности в соответствии с правилом инерции. Мелкие организмы размножаются гораздо быстрее, чем крупные. Скорость передачи жизни зависит от плотности живого вещества.

       Жизнь целиком определяется полем устойчивости зеленой растительности, а пределы жизни ─ физико-химич. свойствами соединений, строящих организм, их неразрушимостью в определенных условиях среды. Максимальное поле жизни определяется крайними пределами выживания организмов.

     Всюдность жизни в биосфере:жизнь постепенно, медленно приспосабливаясь, захватила биосферу, и захват этот не закончился. Поле устойчивости жизни есть результат приспособленности в ходе времени.

Раздел 2.Социальная экология.

Лекция 4. Тема 4. Законы экологии и основные закономерности взаимодействия природы и общества

          Вопрос о том, насколько законы экологии можно переносить на взаимоотношения человека с ОС, остается открытым, так как человек отличается от всех других видов. Например, у большинства видов скорость роста популяции уменьшается с увеличением ее плотности у человека, наоборот, рост населения в этом случае ускоряется. Стало быть, у человека нек-рые регулирующие механизмы природы отсутствуют, и это дополнительный повод для технологич. оптимизма у одних, а для экологич. пессимистов -  свидетельство опасности такой катастрофы, к-рая невозможна ни для одного иного вида.

Некоторые экологич. законы (правила, принципы), относящиеся непосредственно к человеческому обществу.

Закон убывающего естественного плодородия: «В связи с постоянными изъятиями урожая, т.е. органич. и химич. элементов из почвы, нарушением естественных процессов почвообразования, а также при длительной монокультуре из-за накопления токсич. веществ, выделяемых растениями (самоотравление почв), на культивируемых землях снижается естественное плодородие почв.К настоящему времени примерно половина пахотных угодий мира в различной степени потеряла плодородие, а полностью выбыло из интенсивного сельскохозоборота столько же земель, сколько сейчас обрабатывается.

         Закон шагреневой кожи: глобальный исходный природно-ресурсный потенциал в ходе историч. развития непрерывно истощается: никаких принципиально новых ресурсов, к-рые могли бы появиться в настоящее время, нет.

              Для жизни каждого человека в год необходимо 200 т твердых веществ, которые он с помощью 800 т воды и в среднем 1000 Вт энергии превращает и полезный для себя продукт.

         Принцип обманчивого благополучия: первые успехи в осуществлении цели проекта  создают атмосферу благодушия и заставляют забыть возможные отрицательные последствия, которых никто не ждет.

    Принцип удаленности события: потомки что-нибудь придумают для предотвращения возможных отрицательных последствий.

        Идея автотрофности человека. Автотрофными называют организмы, которые берут все нужные им для жизни химические элементы из окружающей их косной материи (неорганич. вещества) и не требуют для построения своего тела готовых соединений др. организма.

        Поле существования зеленых автотрофных организмов определяет область проникновения солнечных лучей. В.И. Вернадский сформулировал идею автотрофности человека, к-рая приобрела интересный поворот в paмках обсуждения  проблемы создания искусственных экосистем в космич. кораблях. Простейшей такой экосистемой будет система «человек – 1 или 2 автотрофных вида». Но данная система неустойчива и для надежного обеспечения потребностей человека необходима многовидовая система жизнеобеспечения.

                Создание искусственной среды в космич. кораблях станет важным этапом в развитии экологии. В их построении соединяются инженерная нацеленность на создание нового и экологич. направленность на сохранение имеющегося, творческий подход и разумный консерватизм. Это осуществление принципа «проектирования вместе с природой».

       Концепция коэволюции и принцип гармонизации. Критика теории эволюции Ч. Дарвина велась со дня ее возникновения. Возражения ─ изменения, по Дарвину, могут идти во всех возможных направлениях и случайным образом.

       Концепция номогенеза утверждала, что изменения происходят не беспорядочно, а по законам развития форм. С точки зрения русского ученого и революционера П. Кропоткина более важным фактором эволюции, чем борьба является взаимопомощь.

   Концепция  коэволюции (совместной эволюции) смогла объяснить возникновение полов и др. феномены.               Биологическую эволюцию можно рассматривать как результат взаимодействия организмов. Случайно образовавшиеся более сложные формы увеличивают разнообразие и устойчивость экосистем. Пример коэволюции: простейшие жгутиковые, живущие в кишечнике термитов, выделяют фермент, без которого термиты не могли бы переваривать древесину и расщеплять ее до сахаров. Встречая в природе симбиоз (форма взаимодействия, при к-рой оба вида получают выгоду), можно предполагать, что его конечной стадией станет образование более сложного организма. Травоядные животные могли развиться из симбиоза животных и микроскопических паразитов растений. Паразит уже обрел некогда способность производить ферменты для переваривания веществ, имевшихся в организме его растения-хозяина. Животное же делится с паразитом питательными веществами из растительной массы. Удивительная согласованность всех видов жизни есть следствие коэволюции.      Типы взаимодействия между популяциями обобщены в табл.2