Основные определения и понятия

Лекция №1: Основные понятия экологии

Человечество, познавая окружающий мир, накапливало багаж практических знаний общения с природой. Постепенно складывались чёткие представления о видах растений и животных, местах их обитания и условиях произрастания.

Слово «Экология» происходит от греческого «ойкос», что означает «дом», непосредственное окружение человека и «логос» - учение, наука. Термин предложен в 1866 году знаменитым немецким биологом Эрнстом Геккелем. Он назвал словом экология новый раздел биологии, изучающий совокупность всех взаимосвязей между живыми и неживыми компонентами природной среды, который по мере накопления новых знаний превратился в самостоятельную фундаментальную науку.

Экология занимается изучением живых организмов, как отдельных особей и как членов популяций и биологических сообществ в их взаимодействии с окружающей средой, её физическими, химическими и биологическими факторами.

В современном понимании экология - это наука о взаимоотношениях между живыми организмами и средой их обитания.

Среди различных материальных «домов», где живет человек, экология имеет дело с величайшим из них – живой оболочкой целой планеты – биосферой. Биосфера – это структурная оболочка Земли, населенная живыми организмами и связанная непосредственно с их жизнедеятельностью. Т. е. это система живых организмов и среды, которая функционирует и развивается как единое целое.

Из всех живых организмов человек более других пытается изменить природу, используя и приспосабливая ее для своих нужд. С развитием науки и техники люди получают все более мощные орудия воздействия на природу. В своей деятельности человек, как правило, не осознает, что нарушает закономерности протекания природных процессов, вызывает нежелательные для себя изменения и не предвидит последствия.

1. Высокие темпы роста численности населения Земли неизбежно ведут к расширению с/х деятельности. В первую очередь возникает необходимость увеличения производства с/х продукции и добычи других продуктов питания.

Интенсивное возделывание монокультур приводит к истощению почв.

Вырубка лесов для высвобождения свободных площадей под пашню приводит к эрозии почв и засухе.

Осушение почв нарушает водный баланс и микроклимат обрабатываемых территорий.

Слишком интенсивный лов рыбы и морепродуктов сокращает численность морских видов.

2. Человек синтезирует новые химические вещества, не учитывая того, что в окружающей среде нет механизмов для их разрушения, в результате чего происходит накопление этих веществ и разрушение природных систем.

Деятельность человека породила конфликт между природой и обществом, создала проблемы, которые получили название глобальных экологических проблем. Глобальными эти проблемы назвали потому, что эти проблемы присущи не отдельной стране или континенту, а планете целиком. Последствия этих проблем не признают государственных границ, и решать их предстоит всему человечеству вместе.

К таким проблемам относят:

1. Рост народонаселения планеты.

2. Обеспечение населения Земли пищевыми продуктами.

3. Энергетические проблемы, связанные с истощением таких источников энергии, как нефть, газ, уголь.

4. Парниковый эффект и потепление климата.

5. Разрушение озонового экрана.

6. Кислотные дожди.

7. Деградация наземных экосистем (лесов, земель, водоемов).

Чтобы обеспечить нормальную жизнь ближайшим поколениям, необходимо найти хотя бы частичное решение всех этих проблем.

Экология как раз и помогает дать ответ на вопрос, как действовать и какими законами руководствоваться, чтобы уменьшить отрицательное воздействие человека на окружающую среду.

Но не следует считать, что экологические вопросы и знания появились только в эпоху НТП. Природоохранными мероприятиями занимались с глубокой древности.

История становления экологии как науки состоит из следующих этапов:

1. Древняя цивилизация вплоть до эпохи Возрождения – период накопления эмпирических знаний о природе.

На данном периоде развития преобладали частные, конкретные задачи, решение которых было необходимо или для успешного развития с/х, или для обеспечения жителей отдельных регионов питьевой водой и т.д.

В древнем Египте, Вавилоне и Шумере были известны способы борьбы с накоплением в почве токсичных для с/х растений солей. Техника удаления солей была примитивной (нередко соли просто собирали с поверхности земли или промывали паводковыми водами разлившихся рек), но она позволяла достаточно долго и эффективно использовать легко засоляющиеся почвы.

В таких городах, как Афины, Рим, Иерусалим, Александрия канализационные стоки не сбрасывали в реку, а собирали в специальных отстойниках и, затем использовали для орошения полей, садов и огородов.

2. XVIII столетие характеризуется прогрессирующими наблюдениями натуралистов и осмысливанием влияния природных факторов на развитие и эволюцию живых организмов.

3. XIX век – учение Чарльза Дарвина о происхождении видов, указавшим на взаимозависимость и взаимовлияние всех форм живой и неживой природы.

На основании этого учения Э. Геккель выделил экологию как науку, изучающую все взаимодействия в природе. Эта наука стала быстро развиваться усилиями ученых многих стран.

Однако человек с его духовным миром отделен от растительного, животного и минерального царства. Представления о целостности живых организмов и условий среды еще не стали господствующей системой взглядов.

4. Начало ХХ столетия – В.И. Вернадский впервые раскрыл огромное влияние живого вещества (живых организмов) на косную (неживую природу) и формирование «биокосных природных тел» (неживые природные тела, образованные живыми организмами, например, нефть, уголь, почва).

А. Тенсли ввел термин экосистема для обозначения целостных функциональных систем надорганизменного уровня. Он же указал на невозможность отделения организмов от окружающей среды.

Совокупность совместно обитающих разных видов организмов и условий их существования, находящихся в закономерной взаимосвязи друг с другом, называют экологической системой или экосистемой. Примером экосистем могут бытьлес, луг, озеро, капля воды, космический корабль, горшок с цветком.

Расширяются комплексные исследования экосистем. Появляются новые направления – аутэкология, синэкология, популяционная экология.

5. Вторая половина ХХ столетия характеризуется большим вниманием мирового сообщества к угрозе экологического кризиса.

Осознана роль человека как части природы и зависимость его от ресурсов планеты и природных процессов. Возрастает интерес всего мирового сообщества к экологии. Развитие науки и техники дает в руки людей инструменты, позволяющие изучать экосистемы и биосферу в целом. Экология выходит за рамки биологии, превращаясь в интегрированную науку, использующую знания, полученные другими науками (естественными, техническими, общественными).

Согласно современным представлениям выделяют следующие уровни организации жизни на Земле (см. рис. 1).

Областью изучения экологии являются надорганизменные системы, т.е. популяции, экосистемы и биосфера.

Основными задачами экологии как науки являются:

1. Исследование закономерностей организации жизни в природных системах, в том числе при антропогенном воздействии на эти системы.

2. Создание научной основы рациональной эксплуатации биологических ресурсов, прогнозирование изменения природы в результате деятельности человека, управление процессами, протекающими в биосфере.

3. Экологическая индексация (определение) загрязнения природных сред.

4. Восстановление нарушенных природных систем.

5. Сохранение эталонных участков биосферы.

Структура современной экологии представлена на рис. 2. Выделяют крупные подразделения:

- общая экология (биоэкология),

- геоэкология,

- прикладная экология,

- экология человека

- социальная экология.

Общую экологию по уровням биотических систем подразделяют на:

· аутэкологию – изучает взаимоотношения представителей определенного вида организмов с окружающей средой;

· синэкологию – изучает взаимоотношения сообществ различных видов организмов друг с другом и окружающей средой;

· популяционную – описывает колебания численности различных видов организмов и их причины.

Кроме того, экология классифицируется по конкретным объектам и средам исследования. Например, выделяют экологию человека и животных, экологию растений, экологию микроорганизмов. В свою очередь все эти группы можно исследовать на уровне особи, на уровне популяции, а можно в различных средах обитания (в воде, почве, атмосфере, космическом пространстве).

Особый статус имеет экология человека и человеческого общества. Под экологией человека понимают комплексную дисциплину, исследующую общие законы взаимоотношения биосферы и антропосистемы (структурных уровней человечества, его групп и индивидуумов), влияние природной среды на человека и группы людей.

ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ПОНЯТИЯ

Совокупность совместно обитающих разных видов организмов и условий их существования, находящихся в закономерной взаимосвязи друг с другом, называют экологической системой или экосистемой.

Очень близко по смыслу к понятию «экосистема» понятие «биогеоценоз». Термин предложен академиком В. Н. Сукачевым («биос»-жизнь, «ге»-земля, «ценоз»-сообщество).

Биогеоценоз - это совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений (атмосферы, горной породы, растительности, животного мира и мира микроорганизмов), имеющая свою особую специфику взаимодействия этих компонентов и определённый тип обмена веществом и энергией их между собой и другими явлениями природы.

Понятия «экосистема» и «биогеоценоз» не синонимы. По определению Тенсли, экосистемы - это безразмерные устойчивые системы живых и неживых компонентов, в которых совершается внешний и внутренний круговорот веществ и энергии. Таким образом, экосистема - это и капля воды с её микробным населением, и лес, и горшок с цветком, и космический корабль, и сооружение для биологической очистки сточных вод (азротенк, биофильтр). Под определение биогеоценоза они не попадают. Экосистема может включат несколько биогеоценозов. Таким образом, понятие «экосистема» шире, чем «биогеоценоз», то есть любой биогеоценоз является экологической системой, но не всякая экосистема может считаться биогеоценозом, причём биогеоценозы – это сугубо наземные образования, имеющие свои чёткие границы.

В составе любого биогеоценоза (биоценоза) имеются сообщества животных, растений, микроорганизмов, представленных различными видами:

Вид - совокупность особей, обладающих общими морфофизиологическими признаками, занимающих свой ареал (область обитания), способных в природных условиях скрещиваться друг с другом.

Каждый вид в природе находится в полной биологической изоляции от других видов, выражаемой в нескрещиваемости. Все живые организмы одного вида существуют только в форме популяции.

Популяцию можно определить как любую группу организмов одного вида, занимающую определённое пространство и функционирующую как часть биотического сообщества. Популяции характеризуются рядом признаков: плотность, рождаемость, смертность, возрастная структура, биотический потенциал, распределение в пространстве и т.д.

Плотность популяции - это величина популяции, отнесённая к некоторой единице пространства. Её обычно измеряют и выражают числом особей или биомассой популяции на единицу площади или объёма, например, 500 деревьев на 1 га.

Часто важнее знать не конкретную величину популяции в тот или иной момент времени, а её динамику, т.е. возрастает она или уменьшается. В таких случаях полезны показатели относительного обилия (например, число птиц, отмеченное в течение часа).

Рождаемость - это способность популяции к увеличению численности. Термин используется также при анализе популяций человека. Максимальная рождаемость (иногда её называют абсолютной или физиологической) - теоретический максимум скорости образования новых особей в идеальных условиях (когда отсутствуют лимитирующие экологические факторы, размножение сдерживается только физиологическими). Максимальная рождаемость постоянна для данной популяции. Экологическая или реализованная рождаемость обозначает увеличение численности популяции при фактических или специфических условиях среды. Эта величина не постоянная и варьирует в зависимости от размерного и возрастного состава популяции и физических условий среды. Обычно рождаемость выражают как скорость, определяемую путём деления общего числа вновь появившихся особей на время (абсолютная или общая рождаемость), либо как число вновь появившихся особей в единицу времени на 1 особь в популяции (удельная рождаемость).

Смертность - отражает гибель особей в популяции. Смертность эквивалентна уровню смертности в демографии. Подобно рождаемости, выражают числом особей, погибших за данный период (число смертей в единицу времени), или в виде удельной смертности для всей популяции. Экологическая или реализованная смертность - гибель особей в данных условиях среды. Эта величина не постоянна и изменяется в зависимости от условий среды и состояния популяции. Теоретическая минимальная смертность - величина постоянная для популяции; она представляет собой гибель особей в идеальных условиях. Даже в самых лучших условиях особи будут умирать от старости. Этот возраст определяется физиологической продолжительностью жизни, которая часто намного превышает среднюю экологическую продолжительность жизни

Возрастной состав популяции - является важной характеристикой. Соотношение разных возрастных групп в популяции определяет её способность к размножению в данный момент и показывает, чего можно ожидать в будущем. Обычно в быстро растущих популяциях значительную долю составляют молодые особи, в популяции, находящейся в стационарном состоянии, возрастное распределение более равномерно, а в популяции, численность которой снижается, будет содержаться большая доля старых особей. Упрощённо в популяции можно выделить три экологические возрастные группы: предрепродуктивную, репродуктивную, пострепродуктивную. Длительность этих возрастов по отношению к общей продолжительности жизни сильно варьирует у разных организмов. У современного человека три этих возраста приблизительно одинаковы, на каждый из них приходится около трети жизни.

Совокупность множества параметров среды, определяющих условия существования того или иного вида, и его функциональных характеристик (преобразование им энергии, обмен информацией со средой и с себеподобными), представляет собой экологическую нишу.

Иными словами, экологическая ниша - это совокупность условий жизни внутри экологической системы, предъявляемых к среде видом или его популяцией. Таким образом, каждый вид в среде, где он обитает, занимает место, которое обусловлено его потребностью в пище, территории, связано с функцией воспроизводства.

В природе различные виды животных и растений, занимая определённое пространство, вступают между собой в определённый тип взаимоотношений. Наиболее распространённый тип между животными - хищничество - то есть непосредственное преследование и пожирание одних видов другими, например, растительноядных копытных - плотоядными хищниками, насекомых - птицами, мелких рыб - более крупными. Хищничество наблюдается и среди беспозвоночных животных. Известны хищные насекомые, черви, моллюски, хищные простейшие и бактерии.

Другой тип взаимоотношений - паразитизм в различных формах. В самом обычном случае организм - паразит постоянно живёт на теле или внутри тела другого животного (хозяина). Примером могут служить гельминты животных, паразитические насекомые (вши, блохи), клещи, некоторые простейшие - возбудители опасных заболеваний человека и животных.

В природе часто наблюдается, что два разных вида в силу особенностей их образа жизни, могут использовать одни и те же ресурсы для удовлетворения своих потребностей в энергии и питательных веществах. Такие организмы называются конкурентами. Конкуренция - использование какого-либо ресурса организмом, который тем самым уменьшает доступность этого ресурса для других организмов. Конкуренция бывает внутривидовая и межвидовая. Встречается в двух формах: прямая конкуренция, связана с борьбой за место (обычно между особями одного вида) и косвенная конкуренция (борьба выражается в гибели от голода: например, лес).

Существуют и такие взаимоотношения, при которых один из видов извлекает для себя пользу из сожительства с другим видом и не причиняет ему при этом вреда. В наиболее развитой форме сотрудничества оба вида извлекают из своего сожительства столько преимуществ, что не в состоянии жить раздельно. Такую кооперацию часто называют симбиозом или мутуализмом.

Замечательный пример симбиоза - лишайники. Они представляют собой очень тесный союз гриба и одноклеточных зеленых водорослей. Гриб обеспечивает водоросли прикрепление и защиту, а также снабжение водой и неорганическими солями. Водоросль же предоставляет грибу продукты фотосинтеза. При благоприятных обстоятельствах и гриб, и водоросль, входящие в состав лишайника, могут жить по отдельности, но только находясь в симбиозе они способны произрастать в таких суровых условиях, в которых многие растения не выживают. Не случайно именно лишайники часто обитают на голых скалах, являясь в таких местах единственными поселенцами.

Среди животных: термиты не способны переваривать древесину без участия гигантских жгутиковых - простейших, обитающих в их кишечнике.

Пример мутуализма представляет пиявка (Histriobdella), живущая на брюшке омара и истребляющая, только погибшие и загнивающие яйца, которые омар, как и наш рак, носит прикрепленными к брюшку. Удаление таких яиц, конечно, существенно полезно для развития прочих, свежих.

Комменсализм (сотрапезничество), при котором один вид питается остатками пищи другого (гиены, рыбы-прилипалы).