Основы экологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кафедра агрохимии, почвоведения и сельскохозяйственной экологии

Конспект лекций по дисциплине «Основы экологии»

Составитель: Кравцевич Т.Р. ассистент

1. Основы экологических знаний

Современная экология - это междисциплинарная область знаний об устройстве и функционировании многоуровневых систем в природе и обществе.

Все вы знаете, что человеческая цивилизация, входя в новое тысячелетие, находится в состоянии экологического кризиса. Деятельность человека стала мощным геологическим фактором, преображающим ландшафт, климат, круговороты веществ в природе, природные сообщества. Технический прогресс, направленный на удовлетворение возрастающих потребностей человека, преобразил среду его обитания. На печально известном лозунге «Мы не можем ждать милостей от природы; взять их у нее - наша задача» воспитано несколько поколений людей, которые стали затем внедрять в жизнь безграмотные проекты по изменению среды обитания. На смену энтузиазму по переделке природы приходит осознание последствий грубого и некомпетентного вмешательства человека в естественные процессы развития биосферы.

Загрязнение окружающей среды промышленностью и сельским хозяйством приняло угрожающий характер.

Потеря биологического разнообразия необратимо упростила экологические системы, уменьшив их способность к саморегуляции и стабильность.

Сокращение пахотных земель в результате деградации почвы поставило под угрозу продовольственную безопасность некоторых стран, особенно развивающихся.

Вызывает тревогу стремительный рост населения планеты, который характеризуется как демографический взрыв.

Ситуацию усугубляет энергетический кризис, поскольку невозобновимые источники энергии (нефть, газ, уголь) ограничены.

Передовые мыслители уже в 19 веке начали бить в колокол тревоги и предупреждать человечество о грядущей опасности. Известный французский писатель Г.Флобер писал: «Если общество и впредь пойдет тем же путем, через 2 тысячи лет не останется ни травинки, ни дерева; они изведут природу». Флобер оказался не прав только в одном: не 2 тысячи, а всего лишь 100 лет спустя человек подошел к той грани, переступать через которую крайне опасно. А.П.Чехов от лица одного из своих персонажей говорит: «…Лесов все меньше и меньше, реки сохнут, дичь перевелась, климат испорчен и с каждым днем земля становится все безобразнее…». Сказано это было почти 100 лет назад, с тех пор картина значительно изменилась в худшую сторону.

Каждую секунду вырубается площадь тропического леса величиной с футбольное поле. Каждый день исчезают 3 вида диких растений и животных. Каждый год площадь пустынь на земном шаре увеличивается на территорию равную двум Бельгиям. Опасность нависла не только над окружением человека, она грозит ему самому.

Экологическая ситуация в Беларуси не является исключением. Здесь, как в зеркале, отразились самые острые экологические проблемы планеты: глобальное загрязнение радионуклидами в результате чернобыльской аварии, загрязнение воздушной среды в крупных городах, поверхностных и грунтовых вод промышленными, с.-х. и коммунальными отходами; комплекс проблем в результате широкомасштабной мелиорации, добычи полезных ископаемых и т.д.

Экологическая ситуация может быть изменена только при грамотном природопользовании, основанном на понимании основных законов развития экосистем, правил рационального использования природных ресурсов, устойчивого развития сельского хозяйства.

Беречь и охранять природу можно по-разному. Не обойтись без постановлений, декретов, законов. Но достаточно ли этого? Насущная задача сегодня - сформировать экологическое мировоззрение. Необходимо обращаться к нравственному началу каждого человека. Необходим экологический всеобуч - образование на экологической основе, экологизация знания. Если в начале 20 века слово «экология» знали только биологи, то сейчас это слово стало широко употребляемым и популярным; если 15-20 лет назад экология изучалась как раздел биологии в соответствующих ВУЗах, то сейчас она читается студентам разных специальностей с учетом специфики их будущей профессии. Граждане каждого государства должны владеть суммой знаний об экологии для решения задач, причем не только какого-то отдельного региона, но и масштабах всей планеты.

От экологической грамотности специалистов агропромышленного комплекса зависит защита окружающей среды от прямого загрязнения и разрушения, внедрение малоотходных технологий, минимизация потерь с.х. продукции, производство экологически чистой продукции. На сегодняшний день отмечается, что особо остро стоят проблемы качества молока и мясных продуктов, ведь именно данные продукты являются обязательным в рационе питания здоровых и больных людей всех возрастов.

Таким образом, формирование специалиста современного сельского хозяйства невозможно без овладения экологическими знаниями.

1.1 Предмет и задачи экологии. История развития экологии

Термин «экология» был предложен в 1866 г немецким зоологом Э. Геккелем (труд «Всеобщая морфология организмов»). В буквальном смысле он означает наука о доме, местообитании (от греч. ойкос - дом, жилище, местообитание). Кратко экологию можно определить как науку, изучающую взаимоотношения организмов и среды их обитания. Однако со времен Геккеля экология основательно преобразилась, задачи ее значительно расширились и сегодня такого определения явно недостаточно. Чтобы лучше понять, что является предметом изучения современной экологии и определить ее задачи, рассмотрим краткую историю развития этой науки.

Хотя экология считается наукой молодой, знания экологического характера человечество накапливало с незапамятных времен. По своей сути в значительной мере экологическими были труды первых ученых-естествоиспытателей Аристотеля (384-322 г. до н.э.) и Теофраста (371-280 г. до н.э.), искавших зависимости между свойствами живых существ и условиями обитания. Аристотелем описано около 400 видов животных и птиц, их поведение и связь с окружающей средой; в работах Теофраста мы находим описание 500 видов растений и их сообществ.

Ж.Б.Ламарк (19в.) раскрыл ряд закономерностей влияния среды на организмы. Он впервые обратил внимание на специфическую роль человека в природе и ее возможные катастрофические последствия: «Можно, пожалуй, сказать, что назначение человека как бы заключается в том, чтобы уничтожить свой род, предварительно сделав земной шар непригодным для обитания». Подобные пророчества имеются уже у Леонардо да Винчи (16в.)

Ч.Дарвин в труде «Происхождение видов» большое внимание уделяет приспособлениям (адаптациям) и взаимоотношениям организмов.

Э.Геккель отмечал, что одной из задач данной науки является исследование всех тех взаимоотношений организмов, которые Дарвин обозначил как борьбу за существование. Геккель определял экологию как сумму знаний, относящихся к экономике природы.

Существенный вклад в развитие экологии внесли русские ученые.

Докучаев В.В. (1846-1903), являясь почвоведом-географом, показал тесную связь живых организмов и неживой природы на примере почвообразования и выделения природных зон.

Морозов Г.Ф. (1867-1920) обнаружил всесторонние связи в лесных сообществах, рассматривая их как единые системы.

Высоцкий Г.Н. (1865-1940) развивал то же направление применительно к решению конкретных вопросов степного лесоразведения.

Изучением лесных экосистем занимался Сукачев В.Н. (1880-1967).

Вернадский В.И. (1863-1945) - автор учения о биосфере, всесторонне рассмотрел роль живых организмов на планете.

Кашкаров Д.Н. (1878-1941) выступал за введение с.-х. экологии, считал необходимым широкое внедрение положений экологии не только в агрономию, но и в животноводство.

Болотов А.Т. (1738-1833) - выдающийся русский ученый-агроном - видел взаимозависимость пашни, луга и скота и эмпирически нашел их оптимальное соотношение для обеспечения высокого урожая и сохранения почв.

Другие знаменитые ученые, внесшие вклад в развитие экологии и имена которых следует знать - это Ю. Либих (закон минимума), А. Тэнсли (концепция экосистемы), Б. Коммонер (законы разумного природапользования), Н.Ф. Реймерс, Ю. и Г. Одум - авторы фундаментальных трудов по экологии.

На начальном этапе экологии исследования носили чисто биологический характер. Постепенно объекты изучения усложнялись, рассматриваются не отдельные организмы, а сообщества, экосистемы, биогеоценозы.

В 50-60 гг 20 века появляются глобальные экологические проблемы - кислотные дожди, смоги, стало прогрессировать разрушение озонового слоя, усилился парниковый эффект. Человечество было вынуждено задуматься о цене научно-технического прогресса и своей роли в трансформации глобальной экосистемы - биосферы. До этого времени человек в экологии не рассматривался, считалось, что он, как существо социальное, стоит вне и над природой.

К настоящему времени экология перестала быть биологической наукой. Современное ее определение звучит так:

Экология - это комплексная наука, изучающая условия возникновения, формирования и функционирования живых систем всех уровней организации от организма до биосферы в целом и их взаимоотношения с окружающей средой. Человек рассматривается как неотъемлемая часть природы.

Одной из главных задач курса экологии является формирование системы знаний о рациональном природопользовании. Воздействие человеческого общества на окружающую среду становится все более ощутимым, часто она связано с негативными последствиями. Поэтому проблемы, которыми занимается экология, все более углубляются, ее связи с естественными и общественными науками расширяются, значение экологии в решении прикладных задач, важных для всего общества, растет. Знание экологии имеет значение не только для защиты окружающей среды от разрушения и сохранения ее в чистоте, но и для экономики, в частности, с.-х. производства.

1.2 Структура экологии

В настоящее время в экологии наибольшее развитие получили следующие направления:

1. Классическая экология (общая, биологическая) - изучает естественные биологические системы всех уровней организации, их взаимодействие с окружающей средой.

2. Геоэкология - изучает взаимодействия организмов и среды их обитания с точки зрения их географической принадлежности Рассматриваются геосистемы разного уровня организации и их антропогенные изменения. По типам среды выделяют

- экологию суши,

- экологию пресных вод,

- экологию моря,

- экологию крайнего Севера и т.д.

3. Экология человека - изучает природную сущность человека, среду его обитания и экологические факторы здоровья. Выделяют

- экологию города,

- экологию народонаселения,

- аркологию и т.д.

4. Социальная экология рассматривает взаимосвязи и взаимозависимости в системе «общество-окружающая среда».

5. Прикладная экология - комплексная дисциплина, связанная с различными областями деятельности человека и взаимоотношениями между человеческим обществом и природой. Прикладная экология изучает взаимосвязи агроэкосистем, техносферы с окружающей средой. По сферам деятельности подразделяется на

- промышленную

- сельскохозяйственную

- медицинскую

- химическую

- рекреационную и т.д.

Кроме этого выделяют экологию растений, животных, микроорганизмов, водных организмов и т.д.

Как видим, с.-х. экология является частью прикладной экологии. Ограничиться изучением только этого раздела мы не можем, т.к. без знания общей экологии нам не обойтись. Если мы ограничимся лишь прикладными аспектами, то не сможем увидеть глубинных причин сложившейся экологической ситуации и, тем более, обоснованно прогнозировать возможные последствия планируемых действий.

Общая экология имеет следующие разделы:

1. Экология организмов (особей) - аутэкология (от греч. autos -сам) - изучает пределы существования особей организмов в окружающей среде, ответные реакции организмов на действие факторов внешней среды

2. Экология популяций - демэкология (от греч.demos - народ) - рассматривает взаимосвязь организмов одного вида между собой и с окружающей средой. Главная задача - изучение динамики численности популяций.

3. Учение об экосистемах - синэкология (от греч. syn - вместе), экология биогеоценозов - рассматривает взаимодействия между особями разных видов с окружающей средой и между собой.

4. Экология биосферы - изучает закономерности формирования и развития биосферы как области существования живого вещества на планете, а также глобальные процессы, происходящие в литосфере, гидросфере, атмосфере и влияние деятельности человека на эти процессы.

Изучение экологии мы начнем с общей экологии, знакомясь последовательно со всеми ее разделами от экологии организмов до биосферной экологи. Затем перейдем к прикладной экологии, обращая особое внимание на вопросы, связанные с сельскохозяйственным производством.

Говоря об истории развития экологии, ее значении, структуре, нам пришлось пользоваться различными экологическими терминами, о значении которых вы еще не имеете четкого представления. Остановимся на них подробнее и дадим соответствующие определения.

1.3 Основные понятия и термины экологии

Основным понятием и основной таксономической единицей в экологии является экосистема. Этот термин был введен в 1925г Артуром Тэнсли. Существует несколько определений экосистемы, приведем некоторые из них.

Экосистема - любое сообщество живых организмов и среды их обитания, объединенных в единое функциональное целое.

Экосистема - единый природный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания, в котором все компоненты связаны обменом вещества и энергии.

Экосистемы бывают различного ранга:

-микроэкосистемы - капля воды, муравейник, небольшой пруд

-мезоэкосистемы - лес, река, озеро

-макроэкосистемы - континент, океан

-глобальная экосистема - биосфера

Сходным по смыслу является понятие биогеоценоз. Этот термин введен в 1942г Сукачевым В.Н..

Биогеоценоз - это устойчивая система живых организмов (растений, животных, микроорганизмов), занимающих соответственный участок земной поверхности с особым микроклиматом, геологическим строением, почвой, водным режимом.

Экосистема и биогеоценоз в ряде случаев совпадают, но экосистема - более общее, безразмерное понятие (универсальное). Биогеоценоз - это экосистема, границы которой очерчены ареалом распространения растительного покрова - фитоценоза. Например, степные, болотные, луговые биогеоценозы.

Сходство экосистемы и биогеоценоза в том, что в обоих случаях рассматривается совокупность живых организмов и среды их обитания.

Отличие заключается в том, что:

1) биогеоценоз рассматривают, как правило, при изучении сухопутных экосистем;

2) обязательным компонентом биогеоценоза является фитоценоз - растительное сообщество.

За счет фитоценоза в биогеоценоз постоянно идет приток энергии от Солнца, экосистемы без растений являются недолговечными.

Биоценоз - группировки взаимно обитающих и взаимосвязанных организмов.

Биотоп (экотоп) - пространство, занимаемое биоценозом, его среда обитания.

С использованием данных понятий можно дать краткое определение биогеоценоза: это биоценоз, занимающий определенный биотоп.

Популяция - (от лат. populus - народ) - часть особей, принадлежащих к одному виду, занимающих определенную область (ареал) и способных к саморегуляции и поддержанию определенной численности.

Сообщество - данный термин имеет неоднозначное содержание. Его используют как синоним биоценоза, когда рассматривают совокупность разных видов; а также им обозначают совокупность только растений (фитоценоз), либо животных (зооценоз), или микробного населения (микробоценоз).

1.4 Уровни организации живых систем

Экология изучает живые системы различных уровней организации в их взаимодействии со средой обитания. А что представляют собой живые системы ? Что такое система вообще ?

Система - упорядоченно взаимодействующие и взаимозависимые компоненты, образующие единое целое.

Как вы думаете, что является мельчайшей, микроскопической живой системой ? На каком уровне можно отличить живую материю от неживой ?

Это биологически активные молекулы белка, ДНК, РНК, углеводов. Уже на этом уровне проявляются свойства, характерные для живой природы: обмен веществ, превращение энергии, передача наследственной информации.

Различают следующие уровни организации живых систем:

1. Молекулярный (или генный)

2. Клеточный - биологически активные молекулы объединяются в единую систему. Все организмы подразделяются на одноклеточные и многоклеточные.

3. Тканевый - сочетание сходных по строению и выполняемым функциям клеток образует ткань.

4. Органный - несколько типов тканей функционально взаимодействуют и образуют орган.

5. Организменный - взаимодействие ряда органов сводится в единую систему индивидуального организма.

6. Популяционно-видовой - уровень, где существует совокупность однородных организмов, связанных единством происхождения, образом жизни и местом обитания. На этом уровне происходят элементарные эволюционные изменения.

7. Биоценостический - совместно обитающие и взаимодействующие виды образуют целостность - биоценоз.

8. Биогеоценотический (экосистемный) - уровень, объединяющий разные по видовому составу организмы в их взаимосвязи с условиями обитания (в биотопе).

9. Биосферный уровень - природная система самого высокого ранга, охватывающая все проявления жизни на планете. На этом уровне происходят все круговороты вещества в глобальном масштабе, связанные с жизнедеятельностью организмов.

На каждом уровне в результате взаимодействия с окружающей средой за счет обмена веществом, энергией и информацией возникают характерные функциональные системы.

1.5 Эмерджентность как свойство экосистем

Между названными уровнями организации живого существует соподчиненность. Более простые уровни входят как основные элементы в более сложные. Однако на каждом более высоком уровне появляются свойства и закономерности, их описывающие, которых не было на предыдущем уровне. Этот принцип называется принципом эмерджентности.

Эмерджентность - это наличие у системы особых свойств, отсутствующих у элементов системы (от англ. emergent - внезапно возникающий).

Нельзя описать процессы, происходящие в лесной экосистеме только на основе знания свойств растений, животных, микроорганизмов без учета взаимодействия между ними.

Данное явление отражено в принципе Берталанфи (1969): целое представляет нечто большее, чем сумма составляющих его элементов, т.к. главная характеристика его - взаимодействие, протекающее между элементами.

Точно так же как нельзя предсказать свойства воды, только исходя из свойств водорода и кислорода, нельзя предсказать и свойства экосистемы на основании сведений об отдельных популяциях. Необходимо изучать и лес в целом и отдельные деревья, находящиеся в лесу.

Из знания принципа эмерджентности вытекает и следующий важный вывод: свойства экосистемы можно неожиданно изменить, вмешавшись в природные процессы и нарушив естественную связь между ее элементами. Примером может послужить гибель Арала, последствия осушения болот и др.

Эмерджентность определяется видовым разнообразием. Чем больше видов в экосистеме, тем больше ее эмерджентность. В природных экосистемах с богатым видовым разнообразием наблюдаются сложнейшие взаимосвязи, коэффициент эмерджентности их высок.

В агроэкосистемах (с.-х. поля) бедный видовой состав и, следовательно, низкий коэффициент эмерджентности - низкая способность к саморегуляции и устойчивость. Агроценозы не могут существовать без поддержки и постоянного вмешательства со стороны человека, т.к сразу начинается внедрение нежелательных видов - сорняков, вредителей, различных возбудителей болезней.

1.6 Виды систем и виды связей в системах

Предметом изучения экологии являются живые системы, следовательно, важно познакомиться с общими положениями теории систем. Различают три вида систем:

1. замкнутая - отсутствует обмен веществом и энергией с соседними системами (не существует в природе, идея вечного двигателя)

2. закрытая - происходит обмен энергией, обмен веществом отсутствует (искусственно созданные человеком системы, например, космический корабль)

3. открытая - происходит обмен веществом и энергией (все живые системы от организма до биосферы).

Существование систем невозможно без связей. Все связи делят на прямые и обратные.

Прямой связью называют такую связь, когда один элемент (А) действует на другой (В) без ответной реакции: А>В.

Например, верхний ярус леса действует на травянистую растительность под его пологом. Прямая связь наблюдается также при действии Солнца на все земные процессы.

В случае обратной связи элемент В отвечает на действие элемента А. Бывает положительная и отрицательная обратная связь. Они играют важную роль в природных процессах.

Обратная положительная связь ведет к усилению процесса в одном направлении: А>В>В₁. Например, при вырубке леса почва уплотняется тяжелой техникой, в результате накапливается вода на ее поверхности, затем поселяются влаголюбивые растения, которые еще больше способствуют накоплению влаги (сфагновый мох удерживает влаги в 25-30 раз больше своего веса); в результате идет заболачивание.

В случае обратной отрицательной связи в ответ на действие элемента А со стороны элемента В возникает противоположная по направлению сила противодействия: А?В. Этот тип связей наиболее распространен и наиболее важен в природных процессах, т.к. он обеспечивает устойчивое динамическое равновесие живых систем. На обратных отрицательных связях базируются устойчивость и стабильность экосистем. Увеличение численности жертвы как кормового ресурса, например, полевой мыши для лис, создает условия для размножения и увеличения численности лис. Они начинают более интенсивно уничтожать жертву и снижают ее численность до первоначального уровня. Численность хищника и жертвы синхронно колеблется в определенных границах.

Локальное увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере вызывает повышение интенсивности фотосинтеза, связывание углекислого газа в органическом веществе и снижение его содержания до нормы.

Одно из отрицательных проявлений деятельности человека в природе связано с нарушением действия этих связей, это может привести к разрушению экосистем или переходу их в другие состояния. Например, умеренное загрязнение водоемов биогенными веществами приводит к интенсивному размножению организмов, потребляющих эти вещества, в результате чего происходит самоочищение водоема. Перегрузка водной среды загрязняющими веществами приводит к угнетению и уничтожению организмов-санитаров и разрушению установленных связей. Наблюдается прогрессирующее загрязнение, обеднение водной среды кислородом и превращение чистых озерных или текущих вод в системы болотного типа.

1.7 Законы Коммонера

Зачастую хозяйственная деятельность человека, связана с потреблением природных ресурсов и загрязнением окружающей среды промышленными, сельскохозяйственными или коммунально-бытовыми отходами. Таким образом, человек, удовлетворяя свои потребности, сам ухудшает качество жизни. Американский эколог Б.Коммонер сформулировал четыре закона, которыми желательно руководствоваться человеку в его отношениях с природой.

1. «Все связано со всем» - закон отражает системность, связность всех природных явлений. Изменение одного из компонентов биосистемы вызывает нарушение ее равновесия, изменяя другие компоненты. Нерациональное осушение болот вызывает обмеление рек, эрозию почвы и т.д.

2. «Все должно куда-то деваться» - в основе его - закон сохранения вещества и энергии. При возрастании потребления природных ресурсов увеличиваются и отходы, загрязняющие окружающую среду. Абсолютно безотходное производство невозможно, как невозможен вечный двигатель. Промышленные выбросы, рассеянные в атмосфере благодаря высоким трубам, все равно возвращаются на землю. Захороненные в океане радиоактивные отходы также никуда не исчезают.

3. «Природа знает лучше» - этот закон ориентирует на согласованность действий человека и природы. Природа - сложный механизм, отрегулированный тысячелетиями эволюции, в природе все разумно. Мы должны использовать знания о природных закономерностях, а не стремиться переделать природу.

4. «Ничто не дается даром» или за все надо платить. Дешевому природопользованию не должно быть места. Охрана природы и рациональное использование природных ресурсов невозможны без определенных экономических затрат. Получение сиюминутных выгод может повлечь за собой огромные затраты на восстановление нарушенного равновесия в природе (например, вырубка леса, загрязнение водоемов).

2. Общая экология

2.1 Экология организмов

Экология организмов или аутэкология - это раздел общей экологии изучающий отдельный организм и его окружающую среду. Термин «аутэкология» был предложен швейцарским ботаником Шретером К. в 1896 г для обозначения экологии особей.

Одним из основополагающих в аутэкологии является понятие окружающая среда.

Окружающая среда - это все, что окружает организм и прямо или косвенно влияет на его состояние и функционирование.

Это вся природная среда, которая возникла на Земле вне зависимости от человека и унаследованная им от предшествующих поколений и техногенная среда (техносфера), созданная человеком.

Среда, обеспечивающая возможность жизни на Земле, очень разнообразна. На планете можно выделить четыре качественно отличные среды жизни:

1. Водную

2. Наземно-воздушную

3. Почвенную

4. Организменную

Сами среды жизни также чрезвычайно разнообразны. Водная среда может быть пресной и соленой, стоячей или текущей. В этом случае говорят о среде обитания.

Природные тела и явления, с которыми организм находится в прямых или косвенных взаимоотношениях, называют средой обитания. Часто между понятиями среда жизни и среда обитания не делают различий.

В свою очередь в среде обитания различают местообитания. Так, в водной среде жизни в среде обитания озере можно выделить несколько местообитаний: толща воды, поверхностные или донные слои.

Местообитание - это пространственно ограниченная часть суши или водоема, совокупность абиотических и биотических условий, определяющих весь жизненный цикл развития организма или популяции в целом.

Экологические факторы

Элементы среды, воздействующие на живой организм, называются экологическими факторами.

Экологический фактор - это любой элемент среды, способный оказать прямое или косвенное влияние на живые организмы хотя бы на протяжении одной из фаз их индивидуального развития.

Экологические факторы имеют различную природу и специфику действия, в связи с чем их принято делить на три основные группы:

1. Абиотические (физико-химические) - факторы неживой природы. К ним относятся: климатические (свет, температура, влага, ветер, солевой состав воды и т.д.), эдафические (почвенно-грунтовые) и орографические (условия рельефа) факторы.

2. Биотические факторы - это воздействие одних организмов или их сообществ на другие. Формы взаимодействий разнообразны: это хищничество, конкуренция, симбиоз, паразитизм и т.д.

3. Антропогенные факторы - это влияние деятельности человека на живые организмы или среду их обитания. К антропогенным факторам относятся воздействие с.-х. производства, промышленности, транспорта и других форм ведения хозяйства. Воздействие человека на биосферу может быть целенаправленным и разумным, а может быть вредным и разрушительным. В любом случае это воздействие стало мощной геологической силой и оно неизбежно возрастает.

Действие факторов любой природы может быть прямым (действие на организм) или косвенным (действие на среду обитания организмов). Например, прямое антропогенное воздействие - охота, промысел. Косвенное - осушение болот, изменение среды обитания болотного биоценоза.

Экологическая валентность

В природе невозможно найти животное или растение, которое могло бы переносить все условия, существующие на Земле. Каждый организм живет в относительно узком диапазоне температур, величин влажности, содержания кислорода и других параметров среды.

Для организма или определенной стадии его развития имеется диапазон наиболее благоприятного, оптимального значения фактора.

Рассмотрим зависимость скорости роста растений от температуры при одинаковых других параметрах среды.

Эта зависимость будет иметь вид куполообразной кривой: по мере повышения температуры до некоторой величины скорость роста возрастает, достигая максимального значения, а затем снижается. Весь диапазон температур, при которых возможен рост, ограничен двумя пороговыми точками - минимальной и максимальной величиной температур, за пределами которых растения гибнут. Эти точки соответствуют нижнему и верхнему пределам выносливости. Диапазон температур, которым соответствует наибольшая скорость роста растений, называют зоной оптимума. Недостаток или избыток тепла одинаково снижают рост растений, эти диапазоны температур называют зонами пессимума (угнетения). Пороговые значения температур, вызывающие гибель растений, называют верхним и нижним пределом выносливости, а диапазон значений фактора между ними - экологической валентностью (синонимы термина - пластичность, толерантность).

Приведенная зависимость интенсивности жизнедеятельности организма от дозы воздействия наблюдается для различных экологических факторов.

Экологическая валентность - это способность организмов адаптироваться к тому или иному диапазону колебаний фактора среды.

Пределы выносливости различных организмов различны. Одни могут жить в широком диапазоне изменчивости условий среды, эти организмы называют эврибионтами (от греч. eurys - широкий). Для существования других организмов необходимы строго определенные, относительно постоянные условия внешней среды. Такие организмы называют стенобионтами (от stenos - узкий). В стабильных по свойствам средах обитания, например, в водной или почвенной, больше стенобионтов, в наземно-воздушной среде, которая является самой динамичной, больше шансов на выживание имеют эврибионты. Экологическая валентность у теплокровных животных обычно шире, чем у холоднокровных. Кроме того, адаптационные возможности организма зависят от его возраста: в то время как особи среднего возраста являются эврибионтами, на ранних и поздних стадиях онтогенеза у них возможно проявление стенобионтности.

Американский эколог Одум сформулировал в 1972 г несколько положений в отношении экологической валентности (толерантности) организмов.

1. Организмы могут иметь широкий диапазон толерантности в отношении одного фактора и узкий - в отношении другого.

2. Организмы с широким диапазоном толерантности ко всем экологическим факторам обычно широко распространены.

3. Если условия по одному экологическому фактору не оптимальны для вида, то диапазон толерантности может сузиться по отношению к другим экологическим факторам.

Закон совокупного действия факторов (правило взаимодействия факторов)

Разные виды экологических факторов действуют на организм одновременно и совместно. При этом действие одного фактора зависит от того, с какой силой и в каком сочетании действует другой фактор. Одни факторы могут усиливать или смягчать силу действия других факторов. Например, жара и мороз легче переносятся при низкой влажности воздуха.

Закон компенсации факторов

Недостаток света для растений может в некоторой степени компенсироваться повышенным содержанием в воздухе углекислого газа. Увядание растений можно приостановить, повышая влажность почвы, но также и понижая температуру воздуха. Однако следует отметить, что ни один необходимый организму фактор не может быть полностью заменен другим. Так, отсутствие света делает невозможной жизнь растений, несмотря на самое благоприятное сочетание других условий.

В сельскохозяйственной практике важно знать закономерности взаимодействия экологических факторов, чтобы обеспечить оптимальные условия для культурных растений и домашних животных.

Закон лимитирующего фактора

Фактор, величина которого оказывается близкой или выходит за пределы выносливости (ниже минимума или выше максимума), называется лимитирующим.

Закон лимитирующего фактора был сформулирован впервые в 1840 году Ю.Либихом:

От вещества с минимальной концентрацией зависит рост растений, величина и устойчивость урожайности.

Урожай зерна часто лимитируется не теми питательными веществами, которые требуются в больших количествах (углерод, кислород, водород…), так как эти вещества присутствуют в изобилии, а теми, которые необходимы в малых количествах и которых в почве недостаточно (микроэлементы).

Поэтому, если значение хотя бы одного из необходимых экологических факторов приближается или выходит за пределы пороговых величин, то, несмотря на оптимальное сочетание остальных условий, организмы находятся в угнетенном состоянии или им грозит гибель. Изменить ситуацию можно, лишь воздействуя на лимитирующий фактор.

Современная трактовка закона Либиха звучит так:

В комплексе экологических факторов сильнее действует тот, который наиболее близок к пределу выносливости.

Закон толерантности Шелфорда

Поскольку существуют верхний и нижний пределы выносливости, то лимитирующим фактором может быть как недостаток, так и избыток экологического воздействия. Представления о лимитирующем влиянии максимума наряду с минимумом развил Шелфорд в 1913 г и сформулировал его как закон толерантности:

Лимитирующим фактором процветания может быть как минимум, так и максимум экологического фактора, диапазон между которыми определяет величину толерантности (выносливости) организма к данному фактору.

Закон относительности действия лимитирующего фактора Лундегарда-Полетаева

Форма кривой роста численности популяции (ее биомасса) зависит не только от одного вещества с минимальной концентрацией, но и от концентрации других веществ, имеющихся в среде. Другими словами, состояние организма не определяется на 100 % только лимитирующим фактором, другие факторы, действующие на него также имеют значение.

Закон неоднозначного (селективного) действия факторов

Любой экологический фактор по-разному влияет на функции организма: оптимум для одного процесса может не являться оптимумом для другого. Например, существуют оптимальные температуры для прорастания семян, цветения, созревания и т.д.

Температура как экологический фактор

Температура является одним из наиболее важных экологических факторов, определяющим существование, развитие и распределение организмов по земному шару. Важно не только абсолютное количество тепла, но и распределение его по сезонам, т.е. тепловой режим.

У растений для защиты от неблагоприятного воздействия температур имеются следующие механизмы:

1) анатомо-морфологические - внешние механизмы.

Наблюдается уменьшение площади листовой пластинки или видоизменение листьев в колючки, листья часто имеют белесое опушение (кактус, акация песчаная, лох узколистный…)

2) физиологические - внутренние механизмы

Связаны с изменением интенсивности транспирации, накоплением в клетках солей (позволяет снизить температуру замерзания клеточного сока).

Животных в зависимости от вида теплообмена разделяют на 3 группы:

1) пойкилотермные (от греч. poikilos - разнообразный), холоднокровные - животные с неустойчивым уровнем обмена веществ, непостоянной температурой тела и почти полным отсутствием механизмов терморегуляции. Температура их тела изменяется с изменением температуры окружающей среды (беспозвоночные, рыбы, амфибии, пресмыкающиеся). Среди холоднокровных животных встречаются стенотермные и эвритермные виды.

2) гомойотермные (от греч. homoios - одинаковый), теплокровные - животные с высоким и устойчивым уровнем обмена веществ, в процессе которого осуществляется терморегуляция и обеспечивается постоянная температура тела (птицы, млекопитающие).

Механизмы терморегуляции бывают:

- внешние, физические - теплоизолирующие покровы (шерсть, перья, жировой слой), деятельность потовых желез, испарение влаги при дыхании, сосудистая регуляция кровообращения

- внутренние, химические - изменение интенсивности протекания реакций в организме, осуществляется рефлекторным путем:

изменение температуры окружающей среды > рецептор > сигнал в ЦНС > импульс > механизмы, регулирующие процесс терморегуляции

У теплокровных животных интенсивность метаболизма обратно пропорциональна внешней температуре, у холоднокровных - обратно пропорциональна.

3) гетеротермные - животные, у которых в активном состоянии температура относительно высокая и постоянная, в неактивном (в состоянии спячки или глубокого сна) мало отличается от внешней температуры из-за заметного снижения уровня обмена веществ (еж, суслик, медведь, стриж, утконос, кенгуру, ехидна…).

Для защиты организма от неблагоприятных температур в мире животных наблюдаются определенные морфологические адаптации.

Правило Бергманна (1847): в пределах вида или однородной группы близких видов теплокровные организмы с более крупными размерами тела распространены в более холодных районах, т.к. у них больше относительная поверхность тела и, соответственно, больше теплоотдача.

Мелким животным труднее поддерживать постоянную температуру тела в холодных районах, т.к. у них больше относительная поверхность тела. У холоднокровных наблюдается обратная закономерность: в условиях жаркого климата обитают более крупные животные.

Правило Аллена (1877): У животных с постоянной температурой тела в холодных климатических зонах наблюдается тенденция к уменьшению площади выступающих частей тела (ушей, хвостов…). Это также связано с терморегуляцией и необходимостью снижения площади тела и теплоотдачи.

Виды приспособлений живых организмов к неблагоприятным факторам среды --адаптации

У растений различают 3 вида покоя:

1. Органический. Наступает после уборки, характеризуется изменениями в нуклеиновом и белковом обмене. Фаза органического покоя необходима для весеннего восстановления физиологической активности. Органический покой характерен для клубней, плодов, почек.

2. Глубокий. Наступает одновременно или после органического покоя, обеспечивает морозоустойчивость растений. Степень глубины покоя зависит от вида растений и характера осенней погоды.

3. Вынужденный. Растения могут находиться в состоянии вынужденного покоя, долго не приступая к росту из-за неблагоприятных погодных условий. Часто наблюдается весной, когда задерживается возобновление вегетации озимых или прорастание семян.

Глубокий покой растений иногда называют анабиозом, но это не одно и то же.

Анабиоз - состояние замедления всех жизненных процессов при отсутствии видимых признаков жизни. Состояние это характерно для семян, спор, простейших, лишайников, коловраток, круглых червей, некоторых членистоногих. В состоянии анабиоза организмы могут переносить температуры до минус 180 С и ниже. Условием перехода в анабиоз является исключение воды из биохимических реакций в клетке. Это возможно путем:

1) высушивания до минимального остаточного содержания

2) глубокого охлаждения и перевода в лед

3) сочетания первого и второго

В любом случае необходимо, чтобы сохранялась целостность живых структур - не должны происходить чрезмерная деформация, механические или химические изменения. Охлаждение должно быть быстрым, чтобы не успевали образовываться центры кристаллизации в клетках (кристаллы разрушают клетки). В этом случае вода превращается в стекловидную массу.

Практическое значение анабиоза. Наблюдая за состоянием анабиоза в природе, человек научился переводить искусственно живые клетки и ткани в состояние анабиоза путем дезактивации воды. Замораживание крови, спермы и т.д. - криоконсервация. Хранение семян возможно длительное время только после высушивания. Некоторые семена могут храниться и сохранять всхожесть тысячи лет (результаты раскопок).

Спячка - замедление процессов метаболизма, снижение уровня обмена веществ при неблагоприятных температурах (низких и высоких). У медведя уровень обмена веществ снижается в 20 раз, снижается также потребление кислорода. Спячка может быть зимней, летней. У некоторых животных снижение интенсивности обмена веществ невелико (могут рождаться детеныши). Наблюдается у беспозвоночных, земноводных, пресмыкающихся, млекопитающих.

Диапауза - состояние временного понижения физиологической активности, приостановки развития у насекомых, носящее приспособительный характер.

Диапауза наступает часто без видимой связи с факторами среды, до наступления неблагоприятных условий. Возникает в ответ на сокращение длины светового дня. Может наступать на разных стадиях развития: у саранчи - яйцо, у колорадского жука - взрослое насекомое, у многих бабочек - куколки.

Миграции - перемещение животных в определенных направлениях, выработанное в процессе эволюции. Часто могут быть связаны с сезонными неблагоприятными изменениями условий существования. Расстояние перелетов может быть различным - от 400 км у дрозда до 13 000 км у полярной крачки. Из РБ многие виды птиц, летучих мышей улетают на зиму в Австрию, Венгрию, Болгарию.

2.2 Экология популяций

Раздел общей экологии, изучающий популяции, называется демэкологией. Важнейшей задачей демэкологии является изучение условий формирования популяций, внутрипопуляционных отношений и динамики численности популяций. Чаще всего внимание концентрируют на видах, имеющих важное хозяйственное значение (промысловые виды, различные вредители), а также редких видах.

Популяция - группировка особей одного вида, занимающих относительно однородное пространство и способных к саморегулированию и поддержанию определенной численности.

Каждый вид в пределах занимаемой им территории распадается на популяции. Популяция - относительно обособленная часть вида. Эта обособленность обусловлена спецификой местообитания и вероятностью более частых скрещиваний. Популяций в изолированном виде в природе не существует. На уровне популяций происходят основные адаптации, естественный отбор и эволюционные процессы.

Заботясь о сохранении видового разнообразия на Земле, человек должен думать о сохранении природных популяций. Для популяций существуют допустимые пределы снижения численности особей, за которыми существование популяции становится невозможным. Численность не должна уменьшаться ниже тех пределов, за которыми резко снижается вероятность встречи половых партнеров. Чем мельче организмы, тем выше критические значения их численности.

Основные характеристики популяций

1) Одной из важных характеристик популяций является пространственное распределение особей. Оно может быть:

1. Равномерное - в природе встречается редко, связано с острой конкуренцией особей и территориальным инстинктом (хищные рыбы);

2. Случайное - имеет место только в однородной среде у видов, не имеющих склонности к скоплению (мучной хрущак в муке);

3. Групповое - самое распространенное в природе, существование в группе обеспечивает определенные преимущества организмам, повышает их устойчивость к неблагоприятным условиям.

2) Численность популяции - общее количество особей на данной территории или в данном объеме. Никогда не бывает постоянной и зависит от соотношения интенсивности размножения и смертности.

3) Плотность популяции - количество особей (или биомасса) на единицу площади или объема, занимаемого популяцией.

4) Рождаемость - число новых особей, появившихся в популяции в единицу времени в результате размножения.

5) Смертность - количество особей популяции, погибших за единицу времени. Различают 3 типа смертности:

- одинаковая во всех возрастах;

- повышенная гибель особей на ранних стадиях развития;

- повышенная гибель взрослых (старых) особей.

6) Прирост популяции - разница между рождаемостью и смертностью. Может быть как положительным, так и отрицательным. В РБ сейчас естественный прирост населения составляет -4,1.

7) Темп роста - средний прирост за единицу времени.

Если обозначить через Rо среднее число потомков, произведенное одной особью данного вида за всю жизнь (чистая скорость размножения), то при Rо>1 популяция является растущей, при Rо=1 - стабильной, при Rо<1 - сокращающейся.

8) Половая структура популяции отражает соотношение полов в популяции. Этот показатель особенно важен для видов с половым размножением. Возраст и условия наступления половой зрелости самцов и самок оказывают существенное влияние на поддержание численности популяции. Половую структуру популяции важно знать, так как самки и самцы часто по-разному проявляют себя в сообществе через своеобразие питания, поведения, образа жизни вообще.

9) Возрастная структура популяции отражает соотношение различных возрастных групп в популяции. Количественное соотношение возрастных групп может служить индикатором состояния популяции и ее будущего в биогеоценозе.

Если в популяции преобладают старческие особи, это однозначно свидетельствует о наличии отрицательных факторов в ее существовании, и нарушении воспроизводительной функции. Это вымирающие или регрессивные популяции. Требуются срочные меры по выявлению причин такого состояния и их устранению.

Популяция, представленная в основном молодыми особями, рассматривается как внедряющаяся. Жизненность таких популяций опасений не вызывает, но велика вероятность вспышек чрезмерно высокой численности особей, т.к. в популяции не сформировались трофические и др. связи. Особенно опасно, если такая популяция представлена видами, которые ранее отсутствовали на данной территории.

Если популяция находится в нормальном состоянии, человек может изымать из нее то количество особей, или биомассу, которая прирастает за определенный промежуток времени между изъятиями. Изыматься должны преимущественно особи, закончившие размножение (пострепродуктивный возраст).

В РБ в настоящее время наблюдается процесс старения населения. В соответствии с классификацией ООН население считается старым, если доля лиц в возрасте более 65 лет составляет 7 %. По результатам переписи населения 1999 г в Беларуси доля этой категории населения превысила 13 %. В 2000 г доля старшей возрастной группы (60 лет и старше) в общей численности населения достигла 19 % и превысила на 0.1 % таковую детей (0-15 лет).

Чем сложнее поло-возрастная структура популяции, тем выше приспособительные способности популяции.

Важным показателем популяции является также средняя продолжительность жизни. Сейчас в РБ средняя продолжительность жизни составляет 67,9 лет, для сельского населения она на 4 года меньше, чем для городского.

Биотический потенциал. Динамика популяций.

Общая численность популяции подвержена сезонным, многолетним периодическим и непериодическим колебаниям численности. К числу важнейших свойств популяции относится динамика свойственной им численности особей и механизмы ее регулирующие. Всякое значительное отклонение численности особей в популяции от оптимального связано с отрицательными последствиями для ее существования. В связи с этим популяции обычно имеют адаптационные механизмы, способствующие как снижению численности, если она значительно превышает оптимальную, так и ее восстановлению, если она уменьшается ниже оптимального значения. Согласно принципу Олли, для каждого вида животных существует оптимальный размер группы и оптимальная плотность популяции.

Теоретически популяция способна к неограниченному росту численности, каждой популяции свойственен биотический потенциал.

Биотический потенциал - потенциальная способность живых организмов увеличивать численность в геометрической прогрессии (потенциал размножения). Иначе - это теоретически возможное потомство от одной пары особей при реализации способности организмов увеличивать численность в геометрической прогрессии.

Обычно биотический потенциал тем выше, чем ниже уровень организации организмов. Дрожжевые клетки, размножающиеся простым делением, при наличии условий для реализации биотического потенциала, могли бы освоить пространство земного шара за несколько часов. Один одуванчик способен заселить своими потомками земной шар за 10 лет, если все семена прорастут.

В действительности такая громадная плодовитость никогда не реализуется. Биотический потенциал реализуется организмами со значительной степенью полноты только в отдельных случаях в течение короткого промежутка времени. Например, если быстроразмножающиеся организмы осваивают какой-либо субстрат или среду, где нет конкурентов (насекомые, микроорганизмы, осваивающие экскременты крупных животных, колорадские жуки на картофельном поле). Увеличение численности идет в этом случае по j-образной экспоненциальной кривой. Наблюдается реализация биотического потенциала в условиях беспрепятственного размножения. Такой тип роста носит название экспоненциального. Экспоненциальный рост численности характерен в настоящее время для человеческой популяции. Он обусловлен резким снижением смертности в детском возрасте. В природе он наблюдается в периоды резких вспышек численности.

Факторы окружающей среды ограничивают рост численности популяций, их действие называют сопротивлением среды. Динамика численности для большинства популяций и видов характеризуется другой кривой - s-образной, логистической. В данном случае наблюдается повышенная смертность молодых особей (яиц, икринок, личинок, семян, молоди…).

Под действием факторов среды происходит стабилизация численности популяции на среднем (оптимальном) уровне. Но и в этом случае наблюдаются значительные колебания численности сезонного (насекомые), взрывного (грызуны) или постепенного характера (крупные млекопитающие). Численность может изменяться в тысячи и даже миллионы раз. Периоды резкого изменения численности носят название «популяционных волн», «волн жизни» или «волн численности». Причинами резких колебаний численности могут быть пищевые факторы, погодные условия, солнечная активность, либо целый комплекс факторов. На протяжении длительного периода времени (около 100 лет) численность популяции зайца-беляка изменяется многократно и описывается зигзагообразной кривой. Аналогично изменяется и численность популяции рыси, которая охотится на зайца.

Колебания численности обычно носят регулярный правильный характер и отражают реакцию популяции на конкретные условия среды.

Резкие изменения численности относительно средних значений имеют обычно отрицательные последствия для жизни популяций: при высокой численности - из-за ослабления всех особей в результате недостатка пищи, самоотравления среды, возможных массовых заболеваний и т.д.; при низкой численности - из-за превышения порога ее минимальных значений, снижения вероятности встречи для скрещиваний.

Модифицирующие и регулирующие факторы

В природе популяции обладают способностью поддерживать устойчивое динамическое равновесие - колебания численности происходят в пределах какой-либо определенной величины. Эта способность называется экологическим гомеостазом. (Свойство присущее всем живым системам от организма до биосферы в целом).

Существует 2 группы факторов или механизмов, влияющих на динамику популяций.

1) Модифицирующие факторы (изменяющие). Это в основном абиотические факторы (погодные условия, наличие пищи, катастрофы…). Характер их действия не зависит от плотности популяции. Они могут обеспечить как неограниченный, хотя и кратковременный рост популяции (по экспоненциальному типу), так и снижение их численности до нулевой.