1

Экология как наука, ее предмет, задачи, цели и методы

Термин «экология» впервые был введен в 1866 году немецким ученым Э. Геккелем в его книге «Всеобщая морфология организмов». Он состоит из двух латинских слов: «oikos» -дом, местообитание, жилище, и «logos» - наука. В дословном переводе - это наука об организмах у себя дома. Э.Геккель рассматривал экологию как науку, изучающую взаимодействие организмов со средой их обитания. С точки зрения современной биологии жизнь на Земле представлена следующими уровнями организации живой материи: ген- клетка - ткань - орган - организм- популяция - биоценоз (сообщество)- биогеоценоз (экосстема)- биом- биосфера и предметом экологии являются биологические системы от организма до биосферы. Современное определение экологии как науки звучит так: “ Экология - это биологическая наука, изучающая формирование, структуру и функционирование биологических систем всех уровней от организма до биосферы и их взаимодействие с окружающей средой. Экология как наука должна решать следующие задачи:

1.Изучать законы и закономерности взаимодействия организмов со средой их обитания.

2.Изучать формирование, структуру и функционирование надорганизменных биологических систем (популяция, биоценоз (сообщество), биогеоценоз (экосистема), биом, биосфера).

3.Изучать законы и закономерности взаимодействия надорганизменных биологических систем с окружающей средой.

Цели экологии можно сформулировать следующим образом.

1. Разработка оптимальных путей взаимодействия общества и природы с учетом законов существования природы;

2.Прогнозирование последствий воздействия общества на природу с целью предотвращения негативных результатов.

Для решения задач, стоящих перед экологией, она использует собственные методы, которые можно разделить на три группы.

1.Полевые методы - это методы, позволяющие изучить влияние комплекса факторов естественной среды на природные биологические системы и установить общую картину существования и развития системы.

2.Лабораторные методы - это методы, позволяющие изучить влияние комплекса факторов моделированной в лабораторных условиях среды на естественные или моделированные биологические системы и требующие подтверждения в полевых условиях.

3.Экспериментальные методы - это методы, позволяющие изучить влияние отдельных факторов естественной или моделированной среды на естественные или моделированные биологические системы. Они применяются в сочетании как с полевыми, так и с лабораторными методами.

В зависимости от типа изучаемой биологической системы в экологии выделяют следующие разделы: факториальная экология (аутэкология), учение о популяциях (демэкология), учение о сообществах (синэкология), учение об экосистемах (биогеоценология) и учение о биосфере (глобальная экология).

Промышленная экология изучает влияние техногенной среды на живое вещество и взаимоотношение живого вещества с техногенной средой.

Антропоэкология и социальная экология изучает влияние на человека природных и социальных факторов.

История развития экологии

Всю историю развития экологии можно разделить на пять этапов:

I - этап - накопление экологических сведений о взаимодействии растений и животных со средой - продолжался с глубокой древности до конца XVIII века.

II этап формирования экологических направлений в рамках ботанической и зоологической географии - продолжался с конца XVIII века до середины XIX века.

III этап формирования экологии как науки об адоптациях организмов к среде обитания - продолжался с середины XIX века до 20-х годов XX века.

IV этап - становление экологии как общебиологической науки, являющейся теоретической базой охраны природы - продолжался с 20-х по 60-е годы XX века.

V. Этап развития глобальной экологии с выделением антропоэкологии (экологии человека) - начался с 60-х годов XX века и продолжается в настоящее время.

I. Самый длительный I этап в истории экологии, подразделяют на 3 периода:

1 период - период древнегреческих философов.

В их произведения был обобщен опыт наблюдения человека о его взаимоотношениях с окружающей средой за предыдущий период.

Аристотель описал поведение свыше 500 видов животных и классифицировал их по образу жизни и характеру потребностей.

Его ученик Теофраст Эрезийский, который считается отцом ботаники, описал особенности растений в разных условиях среды, зависимости формы и роста растений от типа почвы и климата.

Известный древнегреческий врач Гиппократ в своих трудах описывал влияние факторов среды на здоровье человека.

2 период - период средневекового застоя.

В этом периоде накопления экологических сведений не происходило, поскольку в нау-ке доминирующей была теологическая теория происхождения жизни и виды считались неизменными, а влияние среды вообще отрицалось.

3 период - период эпохи Возрождения.

В эпоху Возрождения великие географические открытия послужили толчком дальнейшему развитию естественных наук и экологии в том числе.

В XVI-XVIII веках экологические сведения составляли основную часть отчетов научных экспедиций.

Проблема влияния внешних условий на морфологию животных рассматривается в 13 томах «Естественной истории» Ж.Бюффона и он впервые признает, что превращение одного вида в другой происходит под влиянием внешних факторов.

Началом II этапа истории экологии считается появление биогеографии, которая состояла из двух разделов: ботаническая география и зоологическая география.

В 1807 году А.Гумбольдт опубликовал книгу «Идеи о географии растений», в которой высказал идею о том, что в сходных географических условиях у растений появляются сходные формы.

В «Философии зоологии» (1809 г.) Ж.Б. Ламарк считал, что влияние внешних условий - главная причина эволюции растений и животных.

Профессор Московского университета К.Ф.Рулье является основателем экологии животных и одним из предшественников Чарльза Дарвина.

Через все его труды проходит мысль, что развитие органического мира обусловлено влиянием изменяющейся внешней среды.

III этап начинается с выхода книги Ч.Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора, или сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь» в 1859 г.

Эволюционное учение Ч.Дарвина явилось мощным толчком для развития экологии на качественно новой основе.

Параллельно с развитием аутэкологии возникло новое направление в экологии.

1877 году немецкий гидробиолог Карл Мебиус ввел понятие «биоценоз» или «природное сообщество».

Учение о растительных сообществах в дальнейшем обособилось в отдельную науку - фитоценологию.

В 1910 году на III Международном ботаническом конгрессе в Брюсселе экология растений разделилась на аутэкологию и экологию сообществ - синэкологию.

В 1913-20 г. были созданы научные экологические общества, основаны экологические журналы, экологию начали преподавать в университетах.

IV этап знаменателен тем, что экология сформировалась как общебиологическая наука.

В 1923-27г. В.И.Вернадский создал учение о биосфере как глобальной биологической системе планеты Земля, а в последующем разработал теорию ноосферы, т.е. сферы разума

В 30-40-е годы как самостоятельное направление обособилась экология популяций - демэкология, основателем которой считается Ч.Элтон.

В 1935 году английский ученый А.Тенсли ввел термин «экосистема», а в 1942 году советсткий ученый В.Н.Сукачев ввел термин «биогеоценоз».

Количественные методы анализа превратили экологию в точную науку, способную давать объективную оценку состояния природных систем и правильно планировать природоохранные мероприятия.

V. Начиная с 60-х годов экология начала проникать во все сферы человеческого знания и человеческой деятельности.

На границе экологии и других наук начали возникать пограничные науки, такие, как экологическая биохимия, экологическая физиология, математическая экология и др.

Появились промышленная экология, сельскохозяйственная экология, медицинская экология, инженерная экология, экономическая экология, социальная экология, правовая экология и др.

ЭВОЛЮЦИЯ ВЗАИМООТНОШЕНИЙ ЧЕЛОВЕКА И ПРИРОДЫ

На основании анализа результатов исследований в взаимоотношениях человеческого общества с природой выделено четыре периода, которые отличаются по характеру этих отношений и объему причиненного человеком вреда окружающей среде .

Первый, древний, период включает палеолит, мезолит и неолит. В палеолите (от почти 2 млн лет до 25--60 тыс. лет тому назад) жили собиратели и первые охотники - питекантропы, синантропы, неандертальцы и кроманьйонцы. В мезолите (от 6 до 10 тыс. лет тому) к занятиям собиранию и охоты людей прибавляется рыболовство, появляются более совершенные орудия из костей, камня, рога, дерева (крючки, сетки, топора, лодки, глиняная посуда). Неолит (8-4 тыс. лет тому) отмечается появлением земледелия, скотоводства, сверления, шлифования, строительством первых домов и святилищ. Первый, древний, период - палеолит-характеризуется накоплением знаний о природе, приспособлении человека к природе и очень незначительным антропогенным влиянием на нее. Основным источником энергии тогда была мускульная сила человека, которая полностью зависела от природы. В неолите уничтожение большого количества крупных животных - основного продукта питания привело к возникновению первого глобального экологического кризиса во всех регионах расселения людей. Второй период - рабовладельческий строй и феодализм. В этот период интенсивно развивается земледелие, скотоводство, возникают ремесла, расширяется строительство сел, мост, крепостей. Численность населения в XV-- XVII ст. уже превышала 500 млн. Глобальное давление на окружающую среду было незначительным и локальным. Следует отметить, что в первые два периода одним из важнейших факторов влияния человека на природу был огонь - использование искусственных пожаров для охоты на диких зверей, расширение пастбищ, подсечноогневого способа земледелия. Выжигание растительности на больших территориях причинило первый непоправимый вред биосфере, привело к резким изменениям состава флоры, фауны почв и климата в целом.

Вследствие этого возникли первые локальные и региональные кризисы - значительные территории Ближнего Востока, Северной и Центральной Африки превратились на каменные и песчаные пустыни.

Третий период (XVIII ст.-- первая половина XX ст.) - время бурного развития физики, техники, изобретение парового двигателя, электрического мотора, атомной энергии, стремительного роста численности население (свыше 3,5 млрд.). Это - период активного развития локальных и региональных экологических криз-сов, противостояние природы и человеческого общества, страшных по своим эко-логическим результатам мировых войн, хищнической эксплуатации всех природных ресурсов. Основными принципами развития общества к тому времени были борьба с природой, ее покорение, господство над ней и уверенность, что естественные ресурсы неисчерпаемы.

Четвертый период (последние 40-50 лет) характеризуется развитием второго глобального экологического кризиса, возникновением и усилением парникового эффекта, появлению озоновой дыры и кислотных дождей, супериндустриализацией, супермилитаризацией, суперхимизацией, суперпотреблением и суперзагрязнением всех геосфер.

Одновременно особенностью этого периода явилось возникновение и распространение общественного движения за охрану природы во всех развитых странах мира, активное международное сотрудничество в области охраны окружающей среды, апогеем которого явились всемирные конференции ООН из проблемам окружающей среды и развития в Стокгольме в 1972 году, Рио-де-Жанейро в 1992 году и Йоханнесбурге в 2002 году. В работе конференции приняли участие делегаты свыше 180 стран мира.

В очень острых дискуссиях между дипломатами разных стран, учеными и представителями «зеленых» из всего мира на конференции принят пакет важных международных соглашений об охране биосферы, сохранение биологического разнообразия, климата, создана международная организация «Зеленый крест», принята “Повестка дня на ХХ1 век”. Поскольку экологический кризис экосфери планеты в последний, четвертый, период развивалась неравномерно - в зависимости от объемов влияния разных антропогенных факторов, его продолжительность условно можно поделить на трех этапы.

Первый этап четвертого периода (1945--1970 гг.) характеризуется наращиванием гонки вооружений всеми развитыми странами мира, хищническим уничтожением природных ресурсов во всем мире, развитием кризисных экологических ситуаций в границах Северной Америки, Европы, отдельных регионов бывшего СССР.

Второй этап (1970--1980 гг.) сказался бурным развитием экологического кризиса в мире (в Японии, большинства регионов бывшего СССР, Южной Америки, Азии, Африки), интенсивным возрастанием уровня загрязнения вод Мирового океана и космического пространства. Это - этап очень широкой химизации, максимального мирового производства пластиков, развития глобального милитаризма, реальной угрозы глобальной катастрофы (вследствие ядерной войны) и возникновение могущественного международного государственного и общественного движения за спасение жизни на планете.

Третий этап (с 1980 г. до настоящего времени) характеризуется активными попытками изменения отношения людей на планете к природе, всесторонним развитием экологического образования во всех странах, широким общественным движением за охрану окружающей среды, возникновением огромного количества «зеленых» (организаций, ассоциаций, обществ), появлением и развитием альтернативных источников энергии, развитием дехимизации и ресурсосберегающих технологий, принятием новых национальных и международных законов об охране природы. На этом этапе также началась демилитаризация в наиболее развитых странах. последний период человек выступает как могущественная геологическая сила, которая изменяет состояние экзосферы всей планеты. Масштабы человеческой деятельности поражают своими размерами.

К величайшему сожалению, эта деятельность преимущественно отрицательно влияет на природу. Добывая ежегодно десятки миллиардов тонн горных пород из земных недр, мы тысячами буровых скважин, шахт и карьеров разрушаем земную поверхность, ослабляем прочность верхней части земной коры и неузнаваемо изменяем ее внешний вид горами отвальных пород, шлаконакопителями, полями орошения, свалками. Выплавляя свыше 800 миллионов тонн различных металлов, человечество выбрасывает у воздух и гидросферу огромное количество промышленной грязи, разных отходов. Благодаря человеческой деятельности на планете исчезло 150 видов млекопитающих. Если 20 лет тому на Земле ежедневно исчезал один вид животных, то ныне, по данным Всемирного фонда охраны живой природы, - один вид в час. Огромный вред наносит всей живой природе химизация сельского хозяйства (в почву ежегодно вносится свыше 300 млн. т минеральных удобрений и около 4 млн.т пестицидов). Накопление этих химических веществ снижает урожайность из-за истощения почвы до состояния полной деградации и она на много десятилетий теряя плодородие. Кроме того, ядохимикатами в мире ежегодно отравляются свыше 2 млн человек (и эта цифра возрастает), а в результате спровоцированной человеком эволюции сотни видов насекомых и так называемых вредных растений, грибов, грызунов приспосабливаются к ядохимикатам, становятся стойкими к ним. Сегодня примером экологического благосостояния являются Япония и Нидерланды.Страны имеющие минимальное количество природных ресурсов, промышленность которых работает в основном на завозимом сырье, смогли за сравнительно короткий ис-торический срок, прошедший с времен Второй мировой войны, наладить у себя ресурсосберегающие и безотходные производства, организовать сбор и переработку вторичных и третичных отходов, наладить переработку твердых бытовых и промышленных отходов. Это было достигнуто за счет государственного экономического стимулирования энергосберегающих технологий, аккумулирования и использования вторичных энергетических ресурсов, рационального использования сырья и материалов в конструкциях современных машин и механизмов.

Лекция № 2. БИОСФЕРА и учение В.И.Вернадского

· Жизнь на Земле существует благодаря объединению нескольких благоприятных астрономических факторов.

· Постоянство светимости нашей звезды - Солнца

· Большой массы Земли достаточной для того, чтобы удержать плотную атмосферу.

· Большого количество воды на Земле.

· Если бы расстояние между Землей и Солнцем было на 5 % меньше или на 1 % больше, жизнь на ней была невозможна - в первом случае на Земле было бы жарко как на Венере, в втором - Земля постоянно находилась в условиях ледникового периода.

Человек настолько разбалансировал природные связи всей глобальной экосистемы, что она начала деградировать, теряя способность к самовосстанавлению.

Окружающая природная среда - это сложная, многофункциональная, извечно сбалансированная единая система, которая развивалась миллионы лет, сфера постоянного взаимодействий и взаимопроникновения элементов и процессов четверых составляющих её экзосфер: атмосферы, литосферы, гидросферы и биосферы - под влиянием экзогенных (космических) и эндогенных факторов и деятельности человека. Три из них - атмосфера, литосфера и гидросфера - являются ареалом функционирования живого вещества - биоты - главного компонента четвертой составной окружающей среды - биосферы. Живые существа (растения, животные, микроорганизмы) существуют на поверхности Земли, в его атмосфере, гидросфере и верхней части литосферы, в целом составляя пленку жизни - биосферу на нашей планете.

Биосферой (сферой жизнь) называют область существования живых организмов на Земле.

Впервые этот термин употребил в 1875 г. австрийский геолог Зюсс, но распространился он после издания в 1926 г. работы «Биосфера» нашего выдающегося ученого Вернадского, основателя и первого президента Академии наук Украины. Верхняя граница биосферы достигает 85 км над поверхностью Земли. На этих высотах в пробах воздуха выявлены микроорганизмы, правда, в латентном (спящем) состоянии. Живые бактерии выявлены в горячих гейзерных источниках с температурой до 98°С, активна жизнь в антарктических ледниках, на больших глубинах океана, пораженных H₂S. Попав на Луну и пробыв там три года бактерии с Земли сохранили жизнеспособность, несмотря на условия космического вакуума, резких колебаний температуры и высокого уровня радиации. Нижняя граница биосферы в литосфере определяется глубиной адиабаты температур 100°С.Вернадский относил к биосфере и горные породы, созданные за счет жизнедеятельности организмов. Поскольку осадочные породы являются продуктом жизнедеятельности организмов, то нижняя граница биосферы находится на 10-15 км ниже земной поверхности. Вернадский доказал, что химический состав современных атмосферы, литосферы и гидросферы обусловлен жизнедеятельностью организмов. Живые организмы не только приспосабливаются к условиям внешней среды, а и активно их изменяют. Таким образом, живое и безжизненное вещества на Земле составляют гармоническое целое, которое, собственно, и называется биосферой. Одним из проявлений биологической активности организмов является скорость их размножения. При идеальных условиях (теоретически) она может достигать скорости звука. Карл Линней, рассчитал, что три мухи могут съесть антилопу с такой же скоростью, как это делает лев (учитывая скорость размножения мух). Одноклеточная водоросль диатомея теоретически способна за восемь дней образовать массу живой материи, которая равняется земной, а на протяжении на следующий день удвоить ее. Все живое вещество биосферы обновляется в среднем за восемь лет. Биомасса Мирового океана восстанавливается за 33 дня, его фитомасса - ежедневно, фитомасса суши - приблизительно за 14 лет из-за большой продолжительности жизни наземных растений. Живые организмы сыграют огромную роль в аккумуляции солнечной энергии. Например, залежи каменного угля - это ничто иное, как солнечная энергия, накопленная зелеными растениями минувших геологических эпох. Большое значение для биосферы имеет кругооборот углерода, азота, серы, фосфора и других элементов. Обобщая результаты исследований в области геологии, палеонтологии, биологии и других естественных наук, В.И. Вернадский пришел к выводу, что биосфера - это «стойкая динамическая система, равновесомая, что установилась в основных своих 3 чертах... из археозоя и неизменно действует на протяжении 1,5-2 миллиардов лет». Он доказал, что стойкость биосферы за это время обнаруживается в постоянстве её общей массы (около 10¹⁹ т), массы живого вещества (10¹⁵ т), энергии, связанной с живым веществом (10¹⁸ ккал), и среднего химического состава всего живого. Стойкость биосферы Вернадский связывал с тем обстоятельством, что «функции жизни в биосфере - биогеохимические функции - неизменны на протяжении геологического времени, и ни одна из них не появилась снова с ходом геологического времени». Все функции живых организмов в биосфере (образование газов, окислительные и обновленные процессы, концентрация химических элементов и т.п.) не могут выполняться организмами какого-либо одного вида, а лишь их комплексом Отсюда вытекает чрезвычайно важное положение, разработанное Вернадским: биосфера Земли сформировалась с самого начала как сложная система, с большим количеством видов организмов, каждый из которых выполнял свою роль в общей системе.

Вернадскому принадлежит открытие основного закона биосферы: «Количество живого вещества является планетной постоянной с времен архейской эры, то есть за всю геологическую эпоху». На протяжении этого периода живой мир морфологически изменился неузнаваемо, но такого изменения заметно не повлияли ни на количество живого вещества, ни на ее средний валовой состав. Дело здесь в том, как считает Вернадский, что «в сложной организованности биосферы происходили в границах живого вещества лишь перегруппировки химических элементов, а не коренные изменения их состава и количества».Биосфера сформировалась на ранних этапах развития жизнь на Земле, причем очень быстро и уже в довольно сложном виде. Это мысль неоднократно подчеркивал В.И.Вернадский, считая, что комплекс одноклеточных организмов, способных не только существовать и воссоздаваться в окружающей среде, но и активно перестраивать его. Фундаментальное значение не только для экологии, но и для естествознания в целом имело открытие В.И.Вернадским геохимической роли живого вещества и важнейших принципов устойчивости биосферы» живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, ее определяющей". Приведем пять постулатов В.И.Вернадского, относящихся к функции биосферы.

Постулат первый: "С самого начала биосферы жизнь, в нее входящая, должна была быть уже сложным телом, а не однородным веществом, поскольку связанные с жизнью ее биогеохимические функции по разнообразию и сложности не могут быть уделом какой-нибудь одной формы жизни». Смысл сказанного однозначен: первобытная биосфера изначально была представлена богатым функциональным разнообразием.

Постулат второй: "Организмы проявляются не единично, а в массовом эффекте... ". И далее: "Первое появление жизни... должно было произойти не в виде появления одного какого-нибудь вида организмов, а их совокупности, отвечающей геохимической функции жизни. Должны были сразу появиться биоценозы".

Третий постулат: "В общем монолите жизни, как бы не менялись его составные 4 части, их химические функции не могли быть затронуты морфологическим изменением".

Смысл приведенных постулатов таков: первичная биосфера была представлена "совокупностями" организмов типа биоценозов, которые и были главной "действующей силой" геохимических преобразований, а морфологические изменения компонентов этих "совокупностей" не отражались на их "химических функциях".

Постулат четвертый: "Живые организмы... своим дыханием, своим питанием, своим метаболизмом... непрерывной сменой поколений... порождают одно из грандиознейших планетных явлений... миграцию химических элементов в биосфере", поэтому "на всем протяжении протекших миллионов лет мы видим образование тех же минералов, во все времена шли те же циклы химических элементов, какие мы видим и сейчас".

И пятый постулат: "Все без исключения функции живого вещества в биосфере могут быть исполнены простейшими одноклеточными организмами".

Вернадский предложил все, что входит в состав биосферы, объединить в группы в зависимости от характера происхождения вещества.

Он выделял семь групп вещества:

1) живое вещество - это совокупность всех продуцентов, консументов и редуцентов, населяющих биосферу;

2) косное вещество - это совокупность веществ, в образовании которых живые организмы не участвовали, это вещество образовалось до появления жизни на Земле (горные, скалистые породы, вулканические извержения);

3)биогенное вещество - это совокупность веществ, которые образованы самими организмами или являются продуктами их жизнедеятельности (каменный уголь, нефть, известняк, торф и другие полезные ископаемые);

4)биокосное вещество - это вещество, которое представляет собой систему динамического равновесия между живым и косным веществом (почва, кора выветривания);

5)радиоактивное вещество - это совокупность всех изотопных элементов, находящихся в состоянии радиоактивного распада;

6) вещество рассеянных атомов - это совокупность всех элементов, находящихся в атомарном состоянии и не входящих в состав никакого другого вещества;

7) космическое вещество - это совокупность веществ, попадающих в биосферу из космоса и имеющих космическое происхождение (метеориты, космическая пыль).

Вернадский определил "геохимические функции" такими терминами: газовая, кислородная, окислительная, кальциевая, восстановительная, концентрационная, разрушение органических соединений, восстановительное разложение, метаболизм и дыхание. Современная наука о биосфере те же функции классифицирует по пяти категориям:

· Энергетическая (накопление свободной энергии - связывание и запасание солнечной энергии);

· Концентрационная (накапливание химических элементов в телах живых организмов в масштабах биосферы (формирование атмосферы, залежей органических и неорганических веществ);

· Транспортная (закон биогенной миграции атомов, биогеохимические круговороты);

· Деструктивная (разложение органики и замыкание круговоротов, выветривание и разрушение земной коры, формирование почвы);

· Средообразующая

Общее направление превращений в РАСТИТЕЛЬНОЙ ПОДСИСТЕМЕ биосферы или ее функцию можно определить как первичный синтез биомассы из неорганических источников.

Общее направление превращений в ЖИВОТНОЙ ПОДСИСТЕМЕ биосферы или ее функцию можно определить как прогрессивные преобразования биомассы, повышающие ее структурную организацию и уровень негэнтропии. Функцию ЧЕЛОВЕЧЕСКОЙ ПОДСИСТЕМЫ биосферы можно определить как производство все новых орудий труда, позволяющих создавать небиологическим техническим путем свободную энергию негэнтропии в искусственных высокоорганизованных системах, воспроизводящих прямо или косвенно некоторые процессы, осуществлявшиеся до того только живой материей. Часть солнечной энергии поглощенная биосферой и вторично освобождающаяся при дыхании, испарении и обмене веществ всех живых организмов, фактически расходуется на ход:

->процессов стабилизации состава атмосферы и водных масс,

- >биогеохимической миграции атомов,

->биогеохимической переработки горных пород приповерхностной части Земной коры,

->почвообразовательных процессов,

->формирования термовлажностного режима приземного слоя тропосферы.

Любая биологическая или биокосная система, находясь в состоянии "устойчивой неравновесности", т.е. подвижного динамического равновесия с окружающей ее средой, и эволюционно развиваясь, увеличивает свое воздействие на среду. Эти позиции закреплены в трех биогеохимических принципах В.И.Вернадского:

1.Геохимическая биогенная энергия стремиться в биосфере к максимальному проявлению.

2.При эволюции видов выживают те организмы, которые своей жизнью увеличивают биогенную геохимическую энергию.

3.Живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с космической средой, его окружающей и поддерживается на нашей планете энергией Солнца.

Во всех живых организмах преобладают в основном 14 элементов, их называют биогенными: Н₂ ;С ;О₂.

Они составляют 99,9% веса живых организмов, образуют 99% массы всей земной коры нашей планеты и тем самым обеспечивают устойчивость жизни на Земле.

Все остальные химические элементы находятся в рассеянном состоянии. Большую часть веса живых организмов дают О₂ и С. Они составляют от 50 до 90% их сухого абсолютного веса. Главнейшим звеном (ли блоком) управления является преимущественно энергия Солнца, второстепенной - энергия внутреннего тепла Земли и радиоактивного распада элементов. Живой мир Земли, ее биосфера, состоит из организмов трех таких основных типов. Безжизненной частью биосферы, ее косным безжизненным веществом руководят продуценты, ними - консументи, деятельность которых определяют обратные связи, которые идут от продуцентов. В результате осуществляется биотический кругооборот веществ в биосфере приблизительно по такой схеме.

Продуценты, или автотрофы - это организмы, которые за счет утилизации солнечной энергии, воды, углекислого газа и минеральных солей с помощью механизма реакции фотосинтеза 6СО₂ + 6Н₂О ^{энергия} С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ создают органическое вещество. Это растения, которых на Земле около 350 тысяч видов, и их составляет около 2,4 · 10¹² т. Хемопродуценты используют энергию химических реакций, например, окисления соединений железа или серы, и тоже вырабатывают органическое вещество.

Консументы, или гетеротрофы - организмы, которые получают энергию за счет питания автотрофами или другими консументами. Это травоядные животные, хищники и паразиты, а также хищные растения и грибы. Их свыше 1,5 миллионов видов, а их масса составляет близко 2,3 · 10¹⁰ т.

Консументи первого порядка (травоядные животные) питаются органической массой растений.

Консументи второго и третьего порядков (хищники, паразиты, хищные растения и грибы) потребляют других консументов.

Детритофаги потребляют мертвые останки животных и растений называемые детритом.

Редуценти - микроорганизмы, которые разлагают органическое вещество продуцентов и консументов на простые соединения - воду, углекислый газ и минеральные соли, замыкая таким образом кругооборот веществ в биосфере. Их насчитывается 75 тысяч видов, а суммарная масса составляет 1,8 ·10⁸т.

Таким образом, в экологических системах формируются пищевые или трофические цепи, идущие от продуцентов к консументам первого и второго рода, детритофагам и редуцентам. Все это огромное количество живых существ находится в чрезвычайно сложных взаимоотношениях и связях между собою и с “безжизненным” веществом.

Количество возможных связей между членами экологической системы определяется формулой: А = Ѕ N (N - 1) где А- число связей; N - число видов в экосистеме.

В целом биосфера очень похожа на единый гигантский суперорганизм, в котором автоматически поддерживается гомеостаз - динамическое постоянство физикохимических и биологических свойств внутренней среды и устойчивость основных функций. Роль управляющей подсистемы выполняют консументи. Они не разрешают растениям слишком разрастаться, поедая «лишнюю» биомассу. За травоядными пристально «следят» хищники, предотвращая их чрезмерное размножение и уничтожение растительности.

Управляющей подсистемой для этих хищников есть хищники второго рода и паразиты, которыми «руководят» надпаразиты, и т.д. Кроме энергетических, пищевых и химических связей, огромную роль в биосфере сыграют информационные. Живые существа Земли освоили все виды информации - зрительную, звуковую, химическую, электромагнитную. Наиболее информативна и экономична энергия электромагнитных полей, которые по сравнению с звуковой, световой или химической информацией имеют следующие преимущества: распространяются в любой среде жизни - воде, воздухе, почве и тканях организмов; имеют максимальную скорость распространения; могут распространяться в любую погоду и независимо от времени суток; могут передаваться на любое расстояние; могут поступать на Землю из Космоса; на них реагируют все биосистемы (в отличие от других сигналов).Среди вопросов, которые интересуют науку, философию, религию, каждого человека, важнейшим является: что такое жизнь? Как она появилось на Земле? Традиционно считается, что первые научные теории относительно происхождения живых организмов на Земле создали Опарин и Холдейн. В соответствии с их представлениями, на рассвете геологической истории состоялся абиогенный синтез, то есть в первоначальных земных океанах, насыщенных разными простыми химическими соединениями, «в первичном бульоне» под влиянием вулканического тепла, разрядов молний и других факторов среды начался синтез более сложных органических соединений и биополимеров, а затем белков из которых сложные молекулы аминокислот случайно объединялись в пептиды, которых синтезировались первичные живые существа микроскопических размеров. У этой и других подобных гипотез был один существенный недостаток: нет ни одного факта, ни одного результата эксперимента, который подтвердил бы возможность абиогенного синтеза на Земле хотя бы простейшего живого организма из безжизненных соединений. Ни одного хотя бы простейшего живого организма никому не посчастливилось синтезировать. Синтез сложных органических соединений из простых противоречит второму началу термодинамики, которая запрещает переход материальных систем от состояния большей вероятности к состоянию меньшей, а развитие от простых органических соединений к сложных, потом от бактерий к человеку происходил именно в этом направлении. Противоречат теории абиогенного синтеза и геологические сведения. Как бы далеко мы не проникали у глубь геологической истории, не находим следов «азойской эры», то есть периода, если на Земле не существовало жизни. Ныне палеонтологи в породах, возраст которых достигает 3,8 млрд лет, то есть близкий к времени образования Земли (4-4,5 млрд лет тому по современным оценкам), нашли ископаемые остатки довольно сложно организованных существ - бактерий, сине-зеленых водорослей, простых грибков. Вернадский был уверен, что жизнь геологически вечное, то есть в геологической истории не было эпохи, если наша планета была безжизненной. Он писал «Для нас становится понятным, что жизнь есть явление космическое, а не сугубо земное». Исходя из представления о биосфере как о земном, но одновременно и космическим механизме, он связывал ее образование и эволюцию с организованность Космоса. Ныне среди ученых популярностью пользуется принцип Реди: «Живое лишь от живого».Поскольку управляющая система всегда более сложна чем управляемая, стоит вопрос: насколько же более сложной может быть та система, которая создала и «запустила» программу развития живых организмов, где заведомо было определено, как именно «будет раскручиваться» спираль эволюции? Назовите эту управляющую систему, как вам большее по душе: Всемогущей Природой, Космическим Умом, в конце концов, Богом - суть от этого не изменится. Главное состоит в том, что вся эволюция земной биосферы была запрограммирована несравненно высшей и более сложной Космической Системой. Таким образом, каждое живое существо рождается, развивается, выполняет свою программу жизни как составная часть исполинского надорганизмов - биосферы, Галактики, Космоса.

Подобно к тому, как когда-то было доказано, что Земля не является физическим центром Вселенной, ныне так же очевидно, что высший Ум в мире не может сосредоточиваться на Земле». Собственно, намного раньше об этом сказал Иисус Христос: «Родившееся от плоти есть плоть, а родившееся от Духа есть дух» («Евангелие от Иоанна»).

Выдающийся биолог и писатель-фантаст И. Ефремов убедительно доказывает, что в земных условиях лишь человек мог стать носителем Ума. Вот его доказательства.

Для развития большого мозга нужны мощные органы чувств - прежде всего двухглазое, стереоскопический зрение, которое может охватить пространство, точно фиксировать предметы, которые в нем находятся, дать точное представление об их форме и расположении. Голова должна помещаться на переднем конце тела, которое первым сталкивается с окружением и нести на себе органы чувств. Органы чувств должны располагаться максимально близко к мозгу для экономии в передачи раздражения. Мыслящее существо должно хорошо передвигаться, иметь сложные конечности, способные выполнять работу, так как лишь через работу, через трудовые привычки происходит осмысление окружающего мира и преобразования животного в человека. Размеры мыслящего существа не могут быть маленькими, так как в маленьком организме нет условий для развития мощного мозга, нет нужных запасов энергии. Малое животное зависит от мелких случайностей на поверхности планеты: ветер, дождь и т.п. для нее катастрофическое бедствие. Поэтому мыслящее существо должно иметь подвижность, достаточные размеры и силу - итак, внутренний скелет, как у позвоночных животных.

Слишком большой мыслящее животное также быть не может - тогда нарушатся оптимальные условия стойкости и размерности организма, необходимые для того, чтобы выдержать колоссальную дополнительную нагрузку - мозг. Мозг может развиваться тогда, если голова не является орудием, не отягощена рогами, зубами, мощными челюстями, не роет землю, не хватает добыча. Это возможно, если в природе есть достаточно питательная растительная пища. Для человека большую роль отыгрывало появление плодовых растений. Это освободило его организм от беспрерывного употребления растительной массы, на что были обреченные травоядные, а также от судьбы хищников - охоты за живой добычей. Хищники, хотя и едят питательное мясо, должны иметь орудие нападения и убийства, которые мешают развитию мозга. Если имеются плоды, то челюсти могут быть сравнительно слабыми, может развиваться купол черепа, который подавляет развитие морды. Конечности должны иметь строение, обеспечивающее свободу движений и способность держать, пользоваться и изготовлять орудия. Назначение конечностей может быть раздельным - одни должны выполнять функцию перемещения (ноги), другие - хватание (руки). Все это обусловлен тем, что голова должна быть поднятой над землей, иначе ослабевает способность к восприятию окружающего мира. Вывод: размещение мыслящего мозга в человеке не случайно, именно строение организма человека наиболее полно отвечают предъявляемым требованиям. Наиполнее подход к проблеме развития взаимоотношений человечества с биосферой было воплощено в концепции ноосферы - сферы разума. По концепции ноосферы Вернадского, человечество превратилось на мощнейшую геологическую силу на планете.

Условия Вернадского, необходимые для становления и существования ноосферы.

· Заселение человеком всей планеты.

· Резкое преобразование средств связи и обмена между странами.

· Усиление связей, в том числе политических, между всеми государствами Земли.

· Преобладание геологической роли человека над другими геологическими процессами, протекающими в биосфере.

· Расширение границ биосферы и выход человека в космос.

· Открытие новых источников энергии.

· Равенство людей всех рас и религий.

· Увеличение роли народных масс в решении вопросов внешней и внутренней политики.

· Свобода научной мысли и научного поиска от давления религиозных, философских и политических настроений и создание в общественном и государственном строе условий, благоприятных для свободной и научной мысли.

· Подъем благосостояния трудящихся.

· Создание реальной возможности не допустить недоедания, голода, нищеты и ослабление влияния болезней.

· Разумное преобразование первичной природы Земли с целью сделать ее способной удовлетворить все материальные, эстетические и духовные потребности численно возрастающего населения.

· Исключение войн из жизни общества.

Ноосфера - это биосфера, переработанная научной мыслью, подготавливающейся всем прошлым планеты, а не кратковременное и переходящее геологическое явление.

В отличие от биосферы ноосфера не может формироваться стихийно, а только в результате сознательной деятельности людей на основе изучения и практического поддержания ими законов саморегуляции биосферы и согласования с ними своей хозяйственной деятельности. Ныне явилась угроза полной деградации биосферы и гибели цивилизации, которая констатируется в решениях Всемирной конференции ООН в Рио-де-Жанейро, по окружающей среде и развитию в 1992 году .Одним из вариантов выхода из того кризиса, которую переживает человечество и выживания есть выполнение по крайней мере двух главных задач. Переход к энергопотреблению исключительно за счет обновляемых ресурсов и использования наиболее экологически чистых технологий. Существенному сокращение населения Земли по сравнению с нынешним уровнем.

Не менее важное обстоятельство, без которого говорить о будущности человечества бессмысленно, состоит в необходимости утверждения на планете такого общественного порядка, который был бы способен реализовать эту систему ограничений, это второе условие относится уже к гуманитарной сфере. Его выполнение потребует особых усилий общества и новой его организации.

Аутэкология или факториальная экология Аутэкология (от греч. "autos" - сам) изучает взаимодействие отдельного организма со средой его обитания (образ жизни, взаимодействие с отдельными элементами окружающей среды, поведение и т.п.). Термин «среда» в экологии применяется в широком и узком смысле слова. В широком смысле слова среда - это окружающая среда - совокупность всех условий жизни, которые существуют на планете Земля. Среда в узком смысле слова - это среда обитания - то есть та часть природы, которая окружает организм и с которой он непосредственно взаимодействует. Под средой обитания обычно понимают природные тела или явления, с которыми организм (организмы) находится на прямых или косвенных взаимоотношениях. Элементы среды по отношению к организмам неравнозначны: одни из них влияют на их жизнедеятельность, а другие для них безразличны. В пределах биосферы можно выделить четыре среды обитания;- водная;- наземно-воздушная;- почва;- живой организм.

Каждый живой организм находится под влиянием факторов среды. Живые организмы не только испытывают влияние со стороны окружающей их среды, но сами активно влияют на среду своего обитания. В результате их жизнедеятельности на среду могут быть оказаны следующие воздействия:

- физико-химическое: изменение свойств среды (газового состава воздуха и воды, структуры и свойств почвы, даже климата местности);

-механическое: например, разрыхление грунта животными при прокладывании ходов, постройке нор; укрепление грунта корнями деревьев; очистка природных вод мелкими рачками, личинками и рыбами, которые имеют своеобразный тип питания, называемый фильтрацией.

Основная закономерность системы "среда-организм" была сформулирована В.И. Вернадским и получила название закона единства организма и среды его обитания: жизнь развивается в результате постоянного обмена веществом и информацией на базе потока энергии в совокупном единстве среды и населяющих ее организмов.

Воздействие вида на среду является важной экологической закономерностью. Вернадский отмечал, что такое воздействие эволюционно возрастает. Эта закономерность была сформулирована в виде закона максимума биогенной энергии (энтропии) Вернадского-Бауэра: Любая биологическая система, находясь в подвижном равновесии с окружающей ее природной средой и эволюционно развиваясь, увеличивает свое воздействие на среду. Давление на среду растет до тех пор, пока не будет строго ограничено внешними факторами: надсистемами или другими конкурентными системами. Действие факторов подчиняется определенным законам и формирует у различных видов отличительные признаки. Все элементы среды группируют следующим образом.

Нейтральные факторы - это элементы среды, которые не влияют на организм и не вызывают у него никакой реакции.

Экологические факторы - это элементы среды, которые способны прямо или косвенно оказывать влияние на организм хотя бы на протяжении одной из фаз его развития и вызывать у него специфическую приспособительную реакцию.

Под экологическими факторами понимается любой элемент или условие среды, на которые организмы отвечают приспособительными реакциями (адаптациями).

При изучении экологических факторов необходимо акцентировать свое внимание на закономерностях, которые являются общими для всех организмов.

К таким закономерностям относятся правило оптимума, правило взаимодействия факторов, правило лимитирующих факторов, законы К. Либиха и В. Шелфорда.

Закон оптимальности: никакая система не может суживаться или расширяться к бесконечности.

Никакой целостный организм не может превысить определенные критические размеры, которые обеспечивают поддержку его энергетики.

В природопользовании закон оптимальности помогает найти оптимальные с точки зрения производительности размеры для участков полей, выращиваемых животных, растений.

Игнорирование закона - создание огромных площадей монокультур, выравнивание ландшафта массовыми застройками привело к неестественному однообразию на больших территориях и вызвало нарушение в функционировании экосистем, экологические кризы.

Закон взаимодействия природных факторов (закон Митчерлиха - Тинемана - Бауле): объем урожая зависит не от отдельного, пусть даже лимитирующего фактора, а от всей совокупности экологических факторов одновременно. Частицу каждого фактора в совокупном действии ныне можно подсчитать. Закон имеет силу при определенных условиях - если влияние монотонно и максимально обнаруживается каждый фактор при неизменности других в той совокупности, которая рассматривается.

Закон минимума (сформулированный в 1841 г. Ю.Либихом): выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей.

Если количество и качество экологических факторов близки к необходимому организму минимуму, он выживает, если меньше этого минимума, организм гибнет, экосистема разрушается. Поэтому во время прогнозирования экологических условий или выполнение экспертиз очень важно определить слабое звено в жизни организмов.

Закон толерантности (закон Шелфорда):лимитирующим фактором процветания организма может быть как минимум, так и максимум экологического влияния, диапазон между которыми определяет степень выносливости (толерантности) организма к данного фактору. Выводом из закона является то, что любой излишек вещества или энергии в экосистеме становится ее врагом, загрязнителем. Действие факторов может быть прямым и косвенным. По значимости для организма экологические факторы подразделяют на 2 группы:

Условия существования или условия жизни - это экологические (императивные) факторы, без которых организм существовать не может и с которыми он находится в неразрывном единстве (воздух, вода, солнечный свет и т.п.). Отсутствие хотя бы одного из этих факторов приводит к гибели организма.

Второстепенные факторы - экологические факторы, которые не являются жизненно важными, но могут видоизменять существование организма, улучшая или ухудшая его.

Анализ экологических факторов позволяет разделить их на три группы: абиотические, биотические и антропогенные, в каждой из которых в свою очередь можно выделить подгруппы:

Абиотические факторы - это факторы неживой природы, которые прямо или косвенно влияют на организм. Они подразделяются на четыре подгруппы:

а)климатические факторы - это все факторы, которые формируют климат и сп-собны влиять на жизнь организмов (свет, температура, влажность, атмосферное давление, скорость ветра и т.д.);

б) эдафические, или почвенные, факторы - это свойства почвы, которые в свою очередь разделяются на физические (механический состав, комковатость, капиллярность, скважность, воздухо- и влагопроницаемость, воздухо- и влагоемкость, плотность, цвет) и химические (кислотность, минеральный состав, содержание гумуса) свойства почвы;

в)орографические факторы, или факторы рельефа, - это влияние характера и специфики рельефа на жизнь организмов (высота местности над уровнем моря, широта местности, крутизна местности - это угол наклона местности к горизонту, экспозиция - положение местности по отношению к сторонам света);

г)гидрофизические факторы - это влияние воды во всех состояниях (жидкое, твердое, газообразное) и физических факторов среды (шум, вибрация, гравитация, магнитное, электромагнитное и ионизирующее излучения) на жизнь организмов.

Биотические факторы - это факторы живой природы, влияние живых организмов друг на друга. Их разделяют на две группы:

а)внутривидовые факторы - это влияние особей этого же вида на организм (зайца на зайца, сосны на сосну и т.д.);

б)межвидовые факторы - это влияние особей других видов на организм (волка на зайца, сосны на березу и т.д.).

В зависимости от принадлежности к определенному царству биотические факторы подразделяют на четыре основные группы:

а) фитогенные факторы - это влияние растений на организм;