Общая экология

Размещено на http://www.allbest.ru

1

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СОЦИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет Охраны труда и окружающей среды

А.В. Гапоненко

Общая экология

Лекции

для студентов I курса

специальность № 013100 - ЭКОЛОГИЯ

специальность № 511100 - ЭКОЛОГИЯ И ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ

Москва 2006г

1. ФАКТОРИАЛЬНАЯ ЭКОЛОГИЯ

1.1 Предмет и объекты изучения экологии

1.1.1 Экология и история ее развития. Место экологии в системе естественных и социальных наук. Методы экологических исследований

«Экология» (греч. оikos - дом, жилище, местообитание, убежище и logos - наука, знание) - т.е. наука, изучающая условия существования живых организмов и взаимосвязи между организмами и средой, в которой они обитают. (Слайд 1). Термин «Экология» был предложен в 1866 году немецким ботаником, профессором Йенского университета Эрнстом Геккелем (1834 - 1919), как название раздела биологии, изучающего взаимоотношения организмов между собой и с окружающей средой. (Слайд 2). В своем труде «Всеобщая морфология» (1866) он писал: «Экология - это познание экономики природы, одновременное исследование взаимоотношений всего живого с органическими и неорганическими компонентами среды, включая антагонистические и неантагонистические отношения животных и растений, контактирующих друг с другом».

Экология прошла долгий путь становления. Каковы же его основные вехи.

1 этап - накопление практических знаний о животных и растениях, местах их обитания, их отношениях первобытным обществом и передача этих знаний в устной форме, а также в виде наскальных рисунков. (Слайд 3).

экология среда организм жизнь человечество

Становление экологии на заре человечества (по К.М. Петрову, с дополнениями)

Годы	Автор	Регион, страна	Экологическая информация
3 млн л.н. до н.э.	Первобытное общество	Восточная Африка, позднее ближний Восток, Кавказ, Восточная Европа	Присваивающая форма хозяйства (собирательство, охота). Производящая форма хозяйства (земледелие, животноводство). Возникновение антропогенного ландшафта вблизи мест обитания людей, уничтожение некоторых видов животных, выжигание лесов. Введение в культуру всех основных видов с/х растений, одомашнивание животных. Рост численности, быстрое расширение ареала обитания, накопление информации о природных объектах, ускоряющиеся темпы развития, возникновение рас.

2 этап - возникновение древнейших цивилизаций, продолжение накопления практических знаний об окружающем мире и описание наблюдений.

Так в поэме великого поэта Вергилия «Георгики» давались практические советы по сельскому хозяйству:

А с промежутками в год - труд спорый;

Лишь бы скупую почву вдоволь питать навозом жирным,

А также грязную сыпать золу поверх истощенного поля,

Так, сменяя плоды, поля предаются покою.

Пьер Тейяр де Шарден (1987) выделяет 5 очагов возникновения первых цивилизаций:

1. Нил и Месопотамия с Египтом и Шумером;

2. Долины Ганга и Инда с цивилизациями Индии;

3. Бассейн Желтой реки (Хуанхэ) с китайской цивилизацией;

4. Центральная Америка с цивилизациями Майя;

5. Острова тихого и Индийского океанов с полинезийской цивилизацией. (Слайд 4).

Календарь становления экологии как науки в древние века (по К.М. Петрову, с дополнениями)

VI-IV вв. до н.э.		Древняя Индия	Эпическая поэма «Махабхарата» и «Рамаяна» - описание образа жизни и места обитания около 50 видов животных.
490 - 430 гг. до н.э.	Эмпедокл из Акраганта	Древняя Греция	Рассмотрел связь растений со средой.
384 - 322 гг. до н.э.	Аристотель	Древняя Греция	«История животных» - привел классификацию животных, имеющих окраску, связанную с условиями жизни.
372 - 287 гг. до н.э.	Теофраст (Феофраст)	Древняя Греция	«Исследования о растениях» - описал около 500 видов растений и их сообществ.
79 - 23 гг. до н.э.	Плиний старший	Древний Рим	«Естественная история» - обобщил данные по зоологии, ботанике, лесному хозяйству.

Уже на этом этапе покорения природы человеком возникли первые экологические проблемы, отраженные в работах древних философов.

Лукреций Кар писал:

И уже пахарь-старик, головою качая, со вздохом

Чаще и чаще глядит на бесплодность тяжелой работы,

Если же с прошлым начнет настоящее сравнивать время,

То постоянно тогда восхваляет родителей долю.

И виноградарь, смотря на тщедушные, чахлые розы,

Век, злополучный, клянет и на время он сетует горько,

И беспрестанно ворчит, что народ, благочестия полный,

В древности жизнь проводил беззаботно, довольствуясь малым,

Хоть и земельный надел был в то время значительно меньше,

Не понимая, что все дряхлеет и мало-помалу,

Жизни далеким путем истомленное, сходит в могилу.

3 этап - период средневековья, прошел под влиянием различных религиозных конфессий, определяющих мораль, философию, этические и эстетические нормы и др. Несомненной ценностью этого периода является то, что силой всех религий является призыв к духовному совершенству, признании гармоничности созданной творцом природы. Но природа воспринималась как неоскудевающая дающая длань господа. Активно развивается сельское хозяйство, однако, это развитие идет по экстенсивному пути: активно вырубаются леса под земледелие, ради топлива, строительства домов, кораблестроения, металлургии. Жители говорили, что становится все больше «земель с ободранной шкурой».

На рубеже 13 - 14 вв. экологическая ситуация в Европе осложняется, т.к. возможности экстенсивного пути развития земледелия оказались исчерпанными.

Оборонительные стены ограничивали рост городов. Увеличивалась скученность людей, мусор и нечистоты выливались прями на улицы, отсутствовала канализация, что приводило к загрязнению грунтовых вод. Все это способствовало распространению эпидемий, резко снижающих численность населения. Так, в годы чумы 1346 - 1353 вымерло от 20 до 50% всего населения Европы (Бондарев, 1996).

Науки занимались обоснованием и прославлением мудрости творца. Изучение природы на этом этапе практически не осуществлялось. Большая часть знаний, накопленных греками была утрачена еще с разрушением знаменитой Александрийской библиотеки Юлием Цезарем в 48г. До н.э., окончательно библиотека была сожжена арабами после падения Римской империи в 642г. н.э.

4 этап - эпоха Возрождения (ренессанса) положила начало новому этапу в развитии мировой культуры и сформировала новые отношения человека к природе. Это период великих географических открытий. Раздвигаются рамки известного мира, происходит невиданное накопление фактического материала в различных областях естествознания, начинается активное изучение человека и природы. Открыт морской путь из Европы в Индию (Васко-да-Гама); Христофор Колумб достиг Багамских островов; Магеллан совершил первое кругосветное путешествие, Америго веспучи объездил и описал материк, названный в последствии его именем; Бальбоа перешел Панамский перешеек и открыл Великий (Тихий) океан. Ширились торговые связи с Востоком.

Френсис Бекон (англ.) писал «… дальние плаванья и странствия (кои в наши века участились) открыли и показали в природе много такого, что может подать новый свет философии».

Распространению знаний способствовало начатое Иваном Федоровым книгопечатанье. В 1552г. Иван Грозный велел «землю измерить и чертеж государства сделать». Этот чертеж охватывал огромную территорию от Студеного до черного моря и от Котлина озера (Финского залива) до Оби. В 1627 году был составлен еще один «новый» чертеж государства и к нему написана обширная объяснительная записка «Книга Большому чертежу».

5 этап - век просвещения 17 - 18 вв. - обобщение большого накопленного ботанического и зоологического материала, прямые наблюдения в природе. Креационизм сменяется трансформизмом, позднее возникает натурфилософия. Возникает эволюционное учение. Проследим логику развития основных экологических идей. (Слайд 5).

Календарь становления экологии как науки в эпоху просвещения (по К.М. Петрову, с дополнениями)

1749	Карл Линней	Швеция	«Экономика природы» - описал типологию местообитаний. Основы систематики.
1749	Жорж Бюффон	Франция	«Естественная история» - высказал идеи изменчивости видов под влиянием среды.
1798	Томас Мальтус	Англия	«Опыты о законе народонаселения» - предложил уравнение геометрического (экспоненциального) роста популяции, представил первую математическую модель роста популяции.

6 этап -19 в. можно по праву назвать веком естествознания. Именно в этот период экология выделилась как самостоятельная наука.

Один из самых крупных представителей науки первой трети 19в. - Жан-Батист Ламарк. (Слайд 6). Вот как писал о нем Осип Мандельштам.

Был старик, застенчивый, как мальчик,

Неуклюжий робкий патриарх.

Кто за честь природы фехтовальщик?

Ну, конечно, пламенный Ламарк.

Календарь становления экологии в 19 веке. (по К.М. Петрову, с дополнениями)

1802	Жан-Батист Ламарк	Франция	«Гидрогеология» - заложил основы концепции о биосфере, подложил термин «биология».
1809	Жан-Батист Ламарк	Франция	«Философия зоологии» - дал представление о сущности взаимодействий в системе «организм - среда».
1830	Иоганн Вольфганг Гете	Германия	«Опыт объяснения метаморфоза растений». Основатель морфологии или «науки об образовании и преобразовании органических тел», работы о росте и развитии растений, о видоизменении листьев под влиянием света, тепла и влаги.
1836	Чарльз Дарвин	Англия	Кругосветное путешествие на корабле «Бигль» - описал экологические наблюдения, которые легли в основу труда «Происхождение видов путем естественного отбора».
1840	Ю. Либих	Германия	Сформулировал закон минимума.
1845	Александр Гумбольдт	Германия	«Космос» в 5 томах - сформулировал законы географической зональности и вертикальной поясности в распределении растений и животных.
1859	Чарльз Дарвин	Англия	«Происхождение видов путем естественного отбора» - привел большой материал о влиянии абиотических и биотических факторов среды на изменчивость организмов.
1861	Иван Михайлович Сеченов	Россия	Влияние среды на организм «…организм без внешней среды, поддерживающей его существование, невозможен; поэтому в научное определение организма должна входить и среда, влияющая на него».
1866	Эрнст Геккель	Германия	Предложил понятие «экология».
1870	Г. Спенсер	Англия	«Изучение социологии» - заложил основы экологии человека.
1875	Э. Зюсс	Австрия	Предложил понятие «биосфера».
1877	К. Мебиус	Германия	Предложил понятие «биоценоз».
1895	Е. Варминг	Дания	«Экологическая география растений» - впервые использовал термин «экология» по отношению к растениям; предложил понятие «жизненная форма».
1896	У. Хэдсон	Англия	Предложил понятие «волны жизни» для описания динамики численности животных
1898	А. Шимпер	Германия	«География растений на физиологической основе» - одна из первых работ по экофизиологии

7 этап - ХХ век - развитие экологии как науки. (Слайд 7).

Примерно с середины 20-го века предмет изучения экологии расширился и трансформировался в связи с усилением воздействия человека на природу. Содержание термина также претерпевает изменения и наполняется социально-политическим и философским смыслом. Экология выросшая из естественных наук преобразуется в социально-естественную науку.

Календарь становления экологии в 20 веке. (по Н.И. Николайкину, с дополнениями)

1903	К. Раункиер	Дания	Создал учение о жизненных формах растений на основе понятия, введенного Е. Вармингом.
1910			Решением IIIМеждународного ботанического конгресса закреплено разделение экологии на экологию организмов (аутэкологию) и сообществ (синэкологию)
1911	В. Шелфорд	США	Сформулировал закон толерантности
1912	Г.Ф. Морозов	Россия	«Учение о лесе» - классическая работа по изучению лесных сообществ.
1915	Г.Н. Высоцкий	Россия	Предложил понятие «экотоп».
1915	И.К. Пачоский	Россия	Предложил понятие «фитоценоз».
1918	Х. Гамс	Швейцария Австрия	Предложил понятие «биоценологии» как науки о сообществах живых организмов; «фитоценологии» - науки о растительных сообществах.
1921	Х. Берроуз	США	«География как человеческая экология» - сформулировал задачу изучения взаимоотношения человека и территории, на которой он проживает.
1926	В.И. Вернадский	СССР	«Биосфера» - определил глобальные функции живого вещества.
1927	Э. Леруа	Франция	Предложил понятие «ноосфера», получившее дальнейшее развитие в трудах Пьер Тейяр де Шардена и В.И. Вернадского.
1933	Д.Н. Кашкаров	СССР	«Среда и сообщества», «Основы экологии животных» - первые отечественные учебники по экологии.
1935	А. Тенсли	США	Предложил понятие «экосистема».
1939	Ф. Клементс В. Шелфорд	США	Предложили понятие «биоэкология», опубликовав одноименную монографию.
1939	К. Тролль	Германия	Обосновал новое научное направление - 2экология ландшафта».
1942	В.Н. Сукачев	СССР	Предложил понятие «биогеоценоз», заложил основы биогеоценологии.
1942	Р. Линдерман	США	Развил представление о трофических уровнях и «пирамиде энергий», установил правило 10%.
1944	В.И. Вернадский	СССР	«Несколько слов о ноосфере».
1953	Ю. Одум	США	«Основы экологии» и «Зкология» - одни из лучших современных учебников по экологии. Неоднократно переиздаваемы. Русские переводы - 1975, 1986гг.
1963	В.Б. Сочава	СССР	Предложил понятие «геосистема».
1968	Дж. Форрестер, Д. Медоуз	США	Выдвинули идеи глобальной экологии в работах «Римского клуба».
1971	Барри Коммонер	США	«Замыкающийся круг» - сформулировал четыре закона экологии, русский перевод - 1974г.
1994	Н.Ф. Реймерс	Россия	«Экология (теории, законы, принципы и гипотезы)» - систематизировал понятия современной экологии.

Экология начала развиваться как составная часть естествознания, а затем раздел биологической науки. (Слайд 8). Однако, ее специфика в тесной связи с другими естественными науками: химией, физикой, геологией, географией, почвоведением, математикой, а также социальными: социологией, историей, психологией, педагогикой. Фундаментальной теоретической базой экологии является философия. На стыке экологии с другими отраслями знаний возникли и продолжают развиваться много ответвлений экологии.



В экологических исследованиях используется весь арсенал методов, разработанных совокупностью естественных наук и специфические методы.

Все экологические исследования являются системными.

Основные методы экологических исследований: полевые (метод наблюдения), экспериментальные, лабораторные исследования, сравнительный метод. Относительно новым методом в экологии является моделирование, позволяющее изучать сложные объекты, явления и процессы путем их упрощенного имитирования (натурального, математического, логического). Существенным преимуществом экспериментов на модели является то, что при этом могут быть воспроизведены такие крайние положения (например, температура), которые в ряде случаев не могут быть воссозданы на самом объекте.

В экологии используются экосистемный, популяционный, эволюционный и исторический подходы.

Экосистемный подход выдвигает на первый план общность всех существ, поток энергии и круговорот веществ между биотическим и абиотическим компонентами экосферы. На основе этого подхода изучаются функциональные связи организмов (Н: цепи питания).

Популяционный подход рассматривает популяцию как морфологически-функциональную единицу, эволюционирующую во времени и пространстве. Он широко применяет методы математической статистики, моделирования. Построение моделей связано с такими понятиями, как рождаемость, выживаемость, смертность, численность, плотность и др.

Эволюционный и исторический подходы рассматривают закономерности появления и развития организмов, становления их структуры и функций, изменение популяций и экосистем во времени. Эволюционная экология изучает изменения, связанные с развитием жизни на Земле, позволяет выявить закономерности развития живой материи, антропогенное влияние на природу.

1.1.2 Современное состояние экологии как комплекной социально-естественной науки о взвамоотношениях организмов. Содержание, предмет, объект и задачи экологии

Современная экология - фундаментальная комплексная наука о природе, объединяющая знание основ нескольких классических естественных наук. Для выявления специфики экологии как науки рассмотрим уровни организации живой материи и науки, которые изучают биологическую материю на каждом из этих уровней.

Т.о. место экологии в системе естественных наук определяется достаточно четко - это изучение надпопуляционных уровней организации живой материи.

Объектом экологических исследований является совокупность или структура связей между организмами, а также между организмами и средой, т.е. изучение функционирования биологических макросистем.

Главный предмет ее изучения - экосистемы, т.е. единые природные комплексы, образованные средой обитания и живыми организмами. Кроме этого, в область ее компетенции входит изучение отдельных видов организмов (организменный уровень), их популяций, т.е. совокупностей особей одного вида (популяционно-видовой уровень) и биосферы в целом (биосферный уровень).

В зависимости от предмета исследований в процессе становления экологии как науки выделились следующие разделы экологии (Слайд 1):

С точки зрения фактора времени экология подразделяется на историческую и эволюционную.



По конкретным объектам и средам исследования на экологию животных, экологию растений, экологию микроорганизмов.

С научно-практической точки зрения вполне обоснованно деление экологии на теоретическую и прикладную.

Из приведенных выше направлений следует, что задачи экологии многообразны.

В общетеоретическом плане это:

· Разработка общей теории устойчивости экологических систем;

· Изучение экологических механизмов адаптации к среде;

· Исследование регуляции численности популяций;

· Изучение биологического разнообразия и механизмов его поддержания;

· Исследование продукционных процессов;

· Исследование процессов, протекающих в биосфере, с целью поддержания ее устойчивости;

· Моделирование состояния экосистем и глобальных биосферных процессов.

Основные прикладные задачи в настоящее время следующие:

· Прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий деятельности человека для окружающей среды;

· Улучшение качества окружающей среды;

· Сохранение, воспроизводство и рациональное использование природных ресурсов;

· Оптимизация инженерных, экономических, организационно-правовых, социальных и иных решений для обеспечения экологически безопасного устойчивого развития, в первую очередь в экологически неблагоприятных районах.

Стратегической задачей экологии считается развитие теории взаимодействяия природы и общества на основе нового взгляда, рассматривающего человеческое общество как неотъемлемую часть биосферы.

Экология, как и всякая другая наука, имеет два аспекта:

· первый - теоретический, т.е. стремление к познанию ради самого познания,

· второй - практический, т.е. применение собранных знаний для решения практических проблем, связанных с окружающей средой.

Т.о. экология решает главную задачу современности - причастность каждого к охране окружающей среды. Человек осваивает нормы новой культуры. Поэтому изучение экологии - составная часть высшего образования для всех специальностей.

1.2 Основы аутэкологии (факториальной экологии)

1.2.1 Организм и среда

Живые организмы во всем многообразии их связей являются предметом изучения экологии. К живым организмам относятся все формы жизнедеятельности. Организм (особь, индивид) - это дискретная единица живой материи, любое живое тело, живое существо, реальный носитель жизни, который характеризуется всеми ее свойствами и происходит от одного зачатка - семени, споры, оплодотворенной яйцелетки.

Все живые организмы подразделяются на 2 надцарства: эукариоты и прокариоты и 4 царства: бактерии животные, грибы, растения. Иногда выделяют специфическое царство вирусов - форма, промежуточная между живой и неживой материей.

Каждое из царств в свою очередь подразделяется на подцарства: животные - на одноклеточные и многоклеточные; грибы на низшие и высшие, растения - на багрянки, настоящие водоросли и высшие растения.

По отношению к кислороду все живые организмы делятся на аэробные (жизнедеятельность возможна только при наличии свободного кислорода) и анаэробные (обитают без кислорода).

Живое вещество можно рассматривать как соматическое и репродуктивное.

Соматическое (от греч. Сома - тело) вещество - совокупность всех клеток организмов, кроме половых.

Репродуктивное - вещество благодаря которому жизнь в биосфере постоянно воспроизводится.

Все многообразие организмов в биосфере связано друг с другом через питание. Поэтому живые организмы различают по способам питания. Это автотрофы, гетеротрофы и миксотрофы.

Автотрофы - (от греч. аутос - сам, трофее - питаться) - организмы, получающиевсе нужные им для жизни химические элементы из окружающей косной материи и не нуждающиеся в готовых органических соединениях. Они продуцируют органическое вещества в процессе фотосинтеза (фотоавтотрофы), используя в качестве источника энергии солнечный свет или хемосинтеза (хемоавтотрофы, использующие энергию, выделяющуюся при окислении неорганических веществ), поэтому их называют продуцентами. Биомасса, которую они производят называется первичной.

Гетеротрофы - (от греч. гетерос - другой) это организмы, использующие для своего питания чужие тела (живые или мертвые), т.е. готовые органические вещества. Среди гетеротрофов выделяют три группы организмов: убивающие объект питания (хищники), питающиеся за счет других организмов, но не убивающие ее (кровососы, паразиты); питающиеся отмершей органикой. Среди гетеротрофов выделяют консументов (животные, часть микроорганизмов, паразитические и насекомоядные растения), поедающих «живую» органику и редуцентов (грибы и бактерии), которые превращают органические остатки в неорганические вещества, возвращая их в круговорот веществ.

Миксотрофы - организмы со смешанным типом питания (сине-зеленые водоросли, растения - паразиты).

Можно выделить несколько критериев любого живого организма (Слайд 1)

Размещено на http://www.allbest.ru

1

1. Особенности химического состава. В состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в объекты неживой природы, но их соотношение в живой и неживой материи различно. В живых организмах 98% химического состава приходится на четыре элемента: кислород, водород, углерод, азот, являющиеся основой для всего многообразия органических молекул, составляющих организмы. В живом веществе существует несколько групп органических молекул, характеризующихся специфическими свойствами. Это:

· НК (ДНК и РНК) - обеспечивают явления наследственности, изменчивости и самовоспроизведения;

· белки - основные структурные компоненты клеток, биологические катализаторы - ферменты;

· углеводы - структурно-энергетические компоненты;

· жиры - структурно-энергетические компоненты;

· «малые органические молекулы» - принимают участие в процессах метаболизма.

2. Метаболизм - процесс обмена веществ между организмом и средой, сопровождающийся сложными превращениями веществ в процессе синтеза (ассимиляции, пластического обмена) и распада (диссимиляции, энергетического обмена) внутри организмов. Обмен веществ обеспечивает гомеостаз организма, т.е. относительное постоянство его внутренней среды.

3. Единый принцип структурной организации. Все живые организмы имеют клеточное строение. Клетка является единой для всех обитателей земли структурно-функциональной единицей, а также единицей развития.

4. Репродукция - воспроизведение в виде бесполого или полового размножения особей, благодаря чему последующие поколения сходны с предшествующими. В основе воспроизведения лежат реакции матричного синтеза., т.е. образование новых молекул и структур на основе информации, заложенной в последовательности нуклеотидов ДНК

5. Наследственность - способность организмов передавать свои признаки и свойства и особенности развития в ряду поколений. Наследственность обусловлена генетическим кодом - специфической последовательностью триплетов нуклеотидов в молекулах ДНК и способностью ДНК к редупликации. Наследственность обеспечивает материальную преемственность информации между организмами в ряду поколений.

6. Изменчивость - способность организмов приобретать новые признаки и свойства, в основе которой лежат изменения биологических матриц. Изменчивость дает богатый материал для естественного отбора к конкретным условиям существования в природных условиях, что в свою очередь приводит к возникновению новых форм жизни.

7. Рост - увеличение размеров организма, связанное с процессами метаболизма, реализующимися на основании генетической информации в зависимости от условий окружающей среды. Рост сопровождается развитием - необратимым направленным закономерным изменением объекта, в результате чего возникает новое качественное состояние объекта, сопровождающееся изменением состояния или структуры. Индивидуальное развитие организма называется онтогенезом. В его основе лежит постепенная реализация наследственных программ, проявляющихся в индивидуальных свойствах организма. Историческое развитие называется филогенезом. Это необратимое и направленное развитие живой природы, сопровождающееся образованием новых видов и прогрессивным усложнением жизни. Результатом эволюции является все многообразие живых организмов на Земле.

8. Раздражимость - избирательное реагирование на воздействия окружающей среды. Реакция многоклеточных организмов на раздражение, осуществляемая через посредство нервной системы называется рефлексом. Организмы, не имеющие нервной системы, лишены рефлексов, их реакции выражаются в изменении характера движения или роста и называются таксисами или тропизмами. При их наименовании обычно добавляется название раздражителя. Например: фототаксис - движение в направлении света, хемотаксис - перемещение организма по отношению к концентрации химических веществ. Все таксисы могут быть положительными или отрицательными. Гелиотропизм - рост побега в направлении Солнца, геотропизм - рост корня по направлению к центру Земли. Для растений характерны также настии - движения частей растительного организма. Например - движение листьев, головки подсолнечника в течение светового дня за движением Солнца, закрытие и раскрытие венчика.

9. Дискретность - каждый организм состоит из отдельных изолированных, обособленных, ограниченных в пространстве, но связанных и взаимодействующих между собой частей, образующих структурно-функциональное единство.

10. Авторегуляция - способность живых организмов, обитающих в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность течения физиологических процессов - гомеостаз.

11. Ритмичность - периодические изменения интенсивности физиологических функций и формообразовательных процессов с различными периодами колебаний (от нескольких секунд до года и столетия). Например, суточные, сезонные, приливно-отливные и др. ритмы. Ритмичность направлена на согласование функций организма с окружающей средой, т.е. на приспособление к периодически меняющимся условиям существования.

12. Энергозависимость. Все живые существа являются открытыми системами, т.е. не могут существовать без обмена веществом, энергией и информацией с окружающей средой.

Т.о. организмы в процессе реализации любого из своих свойств взаимодействуют с окружающей средой - средой обитания.

Неживая и живая природа, окружающая растения, животных и человека, носит название среды обитания.

Взаимоотношения организмов со средой, в частности адаптации видов к окружающей среде (среда - организм), абиотическим и биотическим факторам среды (организм - фактор) изучает аутэкология, поэтому ее называют факториальная экология. Аутэкологические исследования входят составной частью в биологическую экологию, экологию животных, растений, микроорганизмов, человека.

С позиций аутэкологии среда - комплекс природных тел и явлений, с которыми организм находится в прямых или косвенных взаимоотношениях. Т.е. это материальные тела, энергия, явления, воздействующие на организм.

Понятие среда включает несколько составляющих:

· Внешняя среда - совокупность сил и явлений природы, ее вещество и пространство, любая антропогенная деятельность, находящаяся вне рассматриваемого объекта или субъекта и необязательно контактирующая с ним.

· Окружающая среда - см. внешняя, но находится в непосредственном контакте с рассматриваемым объектом или субъектом и контактирующая с ним.

· Природная среда - сочетание естественных и измененных деятельностью человека факторов живой и неживой природы, которые проявляют эффект воздействия на организм.

· Среда абиотическая - совокупность сил и явлений природы, происхождение которых не связано с деятельностью живых организмов.

· Среда биотическая - совокупность сил и явлений природы, которые своим происхождением обязаны жизнедеятельности ныне живущих организмов.

· Среда обитания - пространственное понимание среды как непосредственного окружения организмов. К ней относятся только те элементы среды с которым организм непосредственно контактирует. В настоящее время выделяют 4 среды обитания организмов: наземно-воздушная, почвенная, водная, организменная.

Влияние среды на организм.

Любой организм является открытой системой, а значит получает извне вещество, энергию, информацию и, таким образом, полностью зависит от среды. Это отражено в законе, открытым российским ученым К.Ф. Рулье: «результаты развития (изменений) любого объекта (организма) определяются соотношением его внутренних особенностей и особенностей той среды, в которой он находится». Иногда этот закон называют первым экологическим законом, поскольку он универсален.

Влияние живых организмов на среду.

Организмы влияют на среду, изменяя газовый состав атмосферы (Н: в результате фотосинтеза), участвуют в формировании почвы, рельефа, климата и др.

Предел воздействия организмов на среду обитания описывает другой экологический закон (Куражковский Ю.Н.): каждый вид организмов, потребляя из окружающей среды необходимые ему вещества и выделяя в нее продукты своей жизнедеятельности, изменяет ее таким образом, что среда обитания становится непригодной для его существования.

1.2.2 Экологические факторы среды и их классификация

Множество отдельных элементов среды обитания, влияющих на организмы хотя бы на одной из стадий индивидуального развития, называются экологическими факторами.

По природе происхождения выделяют абиотические, биотические и антропогенные факторы. (Слайд 1)

Размещено на http://www.allbest.ru

1

Абиотические факторы - это свойства неживой природы (температура, свет, влажность, состав воздуха, воды, почвы, естественный радиационный фон Земли, рельеф местности) и др., которые прямо или косвенно влияют на живые организмы.

Биотические факторы - это все формы воздействия живых организмов друг на друга. Действие биотических факторов может быть как прямым, так и косвенным, выражаясь в изменении условий окружающей среды, например, изменение состава почвы под влиянием бактерий или изменение микроклимата в лесу.

Взаимные связи между отдельными видами организмов лежат в основе существования популяций, биоценозов и биосферы в целом.

Раньше к биотическим факторам относили и воздействие человека на живые организмы, однако в настоящее время выделяют особую категорию факторов, порождаемых человеком.

Антропогенные факторы - это все формы деятельности человеческого общества, которые приводят к изменению природы как среды обитания и других видов и непосредственно сказываются на их жизни.

Деятельность человека на планете следует выделять в особую силу, оказывающую на природу как прямое, так и косвенное воздействие. К прямому воздействию относят потребление, размножение и расселение человеком как отдельных видов животных и растений, так и создание целых биоценозов. Косвенное воздействие осуществляется путем изменения среды обитания организмов: климата, режима рек, состояния земель и др. По мере роста народонаселения и технической вооруженности человечества удельный вес антропогенных экологических факторов неуклонно возрастает.

Экологические факторы изменчивы во времени и пространстве. Некоторые факторы среды считаются относительно постоянными на протяжении длительных периодов времени в эволюции видов. Например, сила тяготения, солнечная радиация, солевой состав океана. Большинство экологических факторов -- температура воздуха, влажность, скорость движения воздуха -- очень изменчивы в пространстве и во времени.

В соответствии с этим, в зависимости от регулярности воздействия, экологические факторы делят на (Слайд 2):

· регулярно-периодические, меняющие силу воздействия в связи со временем суток, сезоном года или ритмом приливов и отливов в океане. Например: понижение температуры в умеренном климатическом поясе северной широты с наступлением зимы года и т.д.

· нерегулярно-периодические, явления катастрофического характера: бури, ливни, наводнения и т.д.

· непериодические, возникающие спонтанно, без четкой закономерности, разово. Например, возникновение нового вулкана, пожары, деятельность человека.

Размещено на http://www.allbest.ru

1

Таким образом, каждый живой организм испытывает влияние неживой природы, организмов других видов, в том числе и человека, и, в свою очередь, оказывает воздействие на каждую из этих составляющих.

По очередности факторы делятся на первичные и вторичные.

Первичные экологические факторы существовали на планете всегда, еще до появления живых существ, и все живое к этим факторам приспособилось (температура, давление, приливы, сезонная и суточная периодичность).

Вторичные экологические факторы возникают и изменяются благодаря изменчивости первичных экологических факторов (мутность воды, влажность воздуха и др.).

По действию на организм все факторы подразделяются на факторы прямого действия и косвенные.

По степени воздействия их подразделяют на летальный (приводящий к гибели), экстремальный, лимитирующий, беспокоящий, мутагенный, тератогенный, приводящий к уродствам в ходе индивидуального развития).

Каждый экологический фактор характеризуется определенными количественными показателями: силой, давлением, частотой, интенсивностью и др.

1.2.3 Закономерности действия экологических факторов на организмы. Лимитирующий фактор. Закон минимума Либиха. Закон толерантности Шелфорда. Учение об экологических оптимумах видов. Взаимодействие экологических факторов

Несмотря на многообразие экологических факторов и различную природу их происхождения, существуют некоторые общие правила и закономерности их воздействия на живые организмы. Любой экологический фактор может воздействовать на организм следующим образом (Слайд):

· изменять географическое распространение видов;

· изменять плодовитость и смертность видов;

· вызывать миграцию;

· способствовать появлению у видов приспособительных качеств и адаптаций.

Наиболее эффективно действие фактора при некотором значении фактора, оптимальном для организма, а не при его критических значениях. Рассмотрим закономерности действия фактора на организмы. (Слайд).

Зависимость результата действия экологического фактора от его интенсивности благоприятный диапазон действия экологического фактора называется зоной оптимума (нормальной жизнедеятельности). Чем значительнее отклонение действия фактора от оптимума, тем больше данный фактор угнетает жизнедеятельность популяции. Этот диапазон называется зоной угнетения (пессимума). Максимально и минимально переносимые значения фактора - это критические точки, за пределами которых существование организма или популяции уже невозможно. Диапазон действия фактора между критическими точками называется зоной толерантности (выносливости) организма по отношению к данному фактору. Точка на оси абсцисс, которая соответствует наилучшему показателю жизнедеятельности организма, означает оптимальную величину фактора и называется точкой оптимума. Так как трудно определить точку оптимума, то обычно говорят о зоне оптимума или зоне комфорта. Таким образом, точки минимума, максимума и оптимума составляют три кардинальные точки, которые определяют возможные реакции организма на данный фактор. Условия среды, в которых какой-либо фактор (или совокупность факторов) выходит за пределы зоны комфорта и оказывает угнетающее действие, в экологии называют экстремальными.

Рассмотренные закономерности носят название «правило оптимума».

Для жизни организмов необходимо определенное сочетание условий. Если все условия среды обитания благоприятны, за исключением одного, то именно это условие становится решающим для жизни рассматриваемого организма. Оно ограничивает (лимитирует) развитие организма, поэтому называется лимитирующим фактором. Т.о. лимитирующий фактор - экологический фактор, значение которого выходит за границы выживаемости вида.

Например, заморы рыб зимой в водоемах вызваны нехваткой кислорода, карпы не живут в океана (соленая вода), миграцию почвенных червей вызывает избыток влаги и недостаток кислорода.

Первоначально было установлено, что развитие живых организмов ограничивает недостаток какого-либо компонента, например, минеральных солей, влаги, света и т.п. В середине XIX века немецкий химик-органик Юстас Либих первым экспериментально доказал, что рост растения зависит от того элемента питания, который присутствует в относительно минимальном количестве. Он назвал это явление законом минимума; в честь автора его еще называют законом Либиха. (Бочка Либиха).

В современной формулировке закон минимума звучит так: выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей. Однако, как выяснилось позже, лимитирующим может быть не только недостаток, но и избыток фактора, например, гибель урожая из-за дождей, перенасыщение почвы удобрениями и т.п. Понятие о том, что наравне с минимумом лимитирующим фактором может быть и максимум, ввел спустя 70 лет после Либиха американский зоолог В. Шелфорд, сформулировавший закон толерантности. Согласно закону толерантности лимитирующим фактором процветания популяции (организма) может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, а диапазон между ними определяет величину выносливости (предел толерантности) или экологическую валентность организма к данному фактору

Принцип лимитирующих факторов справедлив для всех типов живых организмов - растений, животных, микроорганизмов и относится как к абиотическим, так и к биотическим факторам.

Например, лимитирующим фактором для развития организмов данного вида может стать конкуренция со стороны другого вида. В земледелии лимитирующим фактором часто становятся вредители, сорняки, а для некоторых растений лимитирующим фактором развития становится недостаток (или отсутствие) представителей другого вида. Например, в Калифорнию из средиземноморья завезли новый вид инжира, но он не плодоносил, пока оттуда же не завезли единственный для него вид пчел-опылителей.

В соответствии с законом толерантности любой избыток вещества или энергии оказывается загрязняющим среду началом.

Так, избыток воды даже в засушливых районах вреден и вода может рассматриваться как обычный загрязнитель, хотя в оптимальных количествах она просто необходима. В частности, избыток воды препятствует нормальному почвообразованию в черноземной зоне.

Широкую экологическую валентность вида по отношению к абиотическим факторам среды обозначают добавлением к названию фактора приставки "эври", узкою «стено». Виды, для существования которых необходимы строго определенные экологические условия, называют стенобионтными, а виды, приспосабливающиеся к экологической обстановке с широким диапазоном изменения параметров, - эврибионтными.

Например, животные, способные выносить значительные колебания температуры, называются эвритермными, узкий диапазон температур характерен для стенотермных организмов. (Слайд). Небольшие изменения температуры мало сказываются на эвритермных организмах и могут оказаться гибельными для стенотермных (рис. 4). Эвригидроидные и стеногидроидные организмы различаются реакцией на колебания влажности. Эвригалинные и стеногалинные - обладают разной реакцией на степень засоленности среды. Эвриойкные организмы способны жить в разных местах, а стеноойкные - проявляют жесткие требования к выбору местообитания.

По отношению к давлению все организмы подразделяются на эврибатные и стенобатные или стопобатные (глубоководные рыбы).

По отношению к кислороду выделяют эвриоксибионты (карась, карп) и стенооксибионты (хариус).

По отношению к территории (биотопу) - эвритопные (большая синица) и стенотопные (скопа).

По отношению к пище - эврифаги (врановые) и стенофаги, среди которых можно выделить ихтиофагов (скопа), энтомофаги (осоед, стриж, ласточка), герпетофаги (Птица - секретарь).

Экологические валентности вида по отношению к разным факторам могут быть весьма разнообразными, что создает многообразие адаптаций в природе. Совокупность экологических валентностей по отношению к разным факторам среды составляет экологический спектр вида.

Предел толерантности организма изменяется при переходе из одной стадии развития в другую. Часто молодые организмы оказываются более уязвимыми и более требовательными к условиям среды, чем взрослые особи.

Наиболее критическим с точки зрения воздействия разных факторов является период размножения: в этот период многие факторы становятся лимитирующими. Экологическая валентность для размножающихся особей, семян, эмбрионов, личинок, яиц обычно уже, чем для взрослых неразмножающихся растений или животных того же вида.

Например, многие морские животные могут переносить солоноватую или пресную воду с высоким содержанием хлоридов, поэтому они часто заходят в реки вверх по течению. Но их личинки не могут жить в таких водах, так что вид не может размножаться в реке и не обосновывается здесь на постоянное местообитание. Многие птицы летят выводить птенцов в места с более теплым климатом и т.п.

До сих пор речь шла о пределе толерантности живого организма по отношению к одному фактору, но в природе все экологические факторы действуют совместно.

Оптимальная зона и пределы выносливости организма по отношению к какому-либо фактору среды могут смещаться в зависимости от того, в каком сочетании действуют одновременно другие факторы. Эта закономерность получила название взаимодействия экологических факторов (констелляция).

Например, известно, что жару легче переносить при сухом, а не влажном воздухе; угроза замерзания значительно выше при низкой температуре с сильным ветром, чем в безветренную погоду. Для роста растений необходим, в частности, такой элемент, как цинк, именно он часто оказывается лимитирующим фактором. Но для растений, растущих в тени, потребность в нем меньше, чем для находящихся на солнце. Происходит так называемая компенсация действия факторов.

Однако взаимная компенсация имеет определенные пределы и полностью заменить один из факторов другим нельзя. Полное отсутствие воды или хотя бы одного из необходимых элементов минерального питания делает жизнь растений невозможной, несмотря на самые благоприятные сочетания других условий. Отсюда следует вывод, что все условия среды, необходимые для поддержания жизни, играют равную роль и любой фактор может ограничивать возможности существования организмов - это закон равнозначности всех условий жизни.

Известно, что каждый фактор неодинаково влияет на разные функции организма. Условия, оптимальные для одних процессов, например для роста организма, могут оказаться зоной угнетения для других, например для размножения, и выходить за пределы толерантности, то есть приводить к гибели, для третьих. Поэтому жизненный цикл, в соответствии с которым организм в определенные периоды осуществляет преимущественно те или иные функции - питание, рост, размножение, расселение, - всегда согласован с сезонными изменениями факторов среды, как например с сезонностью в мире растений, обусловленной сменой времен года.

Среди законов, определяющих взаимодействие индивида или особи с окружающей его средой, выделим правило соответствия условий среды генетической предопределенности организма. Оно утверждает, что вид организмов может существовать до тех пор и постольку, поскольку окружающая его природная среда соответствует генетическим возможностям приспособления этого вида к ее колебаниям и изменениям. Каждый вид живого возник в определенной среде, в той или иной степени приспособился к ней и дальнейшее существование вида возможно лишь в данной или близкой к ней среде. Резкое и быстрое изменение среды жизни может привести к тому, что генетические возможности вида окажутся недостаточными для приспособления к новым условиям. На этом, в частности, основана одна из гипотез вымирания крупных пресмыкающихся с резким изменением абиотических условий на планете: крупные организмы менее изменчивы, чем мелкие, поэтому для адаптации им нужно гораздо больше времени. В связи с этим коренные преобразования природы опасны для ныне существующих видов, в том числе и для самого человека.

1.2.4 Приспособление организмов к неблагоприятным условиям среды

Экологические факторы могут выступать как:

· раздражители и вызывать приспособительные изменения физиологических и биохимических функций;

· ограничители, обусловливающие невозможность существования в данных условиях;

· модификаторы, вызывающие анатомические и морфологические изменения организмов;

· сигналы, свидетельствующие об изменениях других факторов среды.

В процессе приспособления к неблагоприятным условиям среды организмы смогли выработать три основных пути избегания последних.

Активный путь - способствует усилению сопротивляемости, развитию регуляторных процессов, которые позволяют осуществить все жизненные функции организмов, несмотря на неблагоприятные факторы.

Например, теплокровность у млекопитающих и птиц.

Пассивный путь связан с подчинением жизненных функций организма изменению факторов среды. Например, явление скрытой жизни, сопровождающееся приостановлением жизнедеятельности при пересыхании водоема, похолодании и т.д., вплоть до состояния мнимой смерти или анабиоза.

Например, высушенные семена растений, их споры, а также мелкие животные (коловраткиЮ, нематоды) способны выдерживать температуры ниже 200^оС. Примеры анабиоза? Зимний покой растений, спячка позвоночных животных, сохранение семян и спор в почве.

Явление, при котором имеет место временный физиологический покой в индивидуальном развитии некоторых живых организмов, обусловленный неблагоприятными факторами внешней среды, называется диапаузой.

Избегание неблагоприятных воздействий - выработка организмом таких жизненных циклов, при которых наиболее уязвимые стадии его развития завершаются в самые благоприятные по температурным и другим условиям периоды года.

Обычный путь таких приспособлений - миграция.

Эволюционно возникающие приспособления организмов к условиям среды обитания, выражающееся в изменении их внешних и внутренних особенностей носит название адаптации. Существуют различные типа адаптаций.

Морфологические адаптации. У организмов возникают такие особенности внешнего строения, которые способствуют выживанию и успешной жизнедеятельности организмов в обычных для них условиях.

Например, обтекаемая форма тела у водных животных, строение суккулентов, приспособления галофитов.

Морфологический тип адаптации животного или растения, при котором они имеют внешнюю форму, отражающую способ взаимодействия со средой обитания, называют жизненной формой вида. В процессе приспособления к одинаковым условиям среды разные виды могут иметь сходную жизненную форму.

Например, кит, дельфин, акула, пингвин.

Физиологические адаптации проявляются в особенностях ферментативного набора в пищеварительном тракте животных, определяемого составом пищи.

Например, обеспечение влагой за счет окисления жира у верблюдов.

Поведенческие адаптации - проявляются в создании убежищ, передвижении с целью выбора наиболее благоприятных условий, отпугивание хищников, затаивание, стайное поведение и др.

Адаптации каждого организма определяются его генетической предрасположенностью. Правило соответствия условий среды генетической предопределенности гласит: до тех пор, пока среда, окружающая определенный вид организмов, соответствует генетическим возможностям приспособления этого вида к ее колебаниям и изменениям, этот вид может существовать. Резкое и быстрое изменение условий среды обитания может привести к тому, что скорость приспособительных реакций будет отставать от изменения условий среды, что приведет к иллиминации вида. Сказанное в полной мере относится и к человеку.