Лекция. Введение в экологию. История развития экологии.

Лекция. Экология популяций – демоэкология

Цель лекции – изучить структуру, статические и динамические показатели популяции, ознакомить слушателей с основными принципами построения кривых выживания живых организмов.

Содержание лекции: понятие и определение популяции, основные свойства популяции, динамические характеристики популяции, экспоненциальный рост численности популяции.

 

Демоэкология изучает структуру и динамику популяции отдельных видов.

Популяция – любая, способная к самовоспроизведению совокупность особе одного вида, более или менее изолированная в пространстве и времени от других аналогичных совокупностей одного и того же вида.

Статические и динамические показатели популяций

 

Количественные показатели популяции делятся на: статические и динамические.

Статические показатели характеризуют состояние популяции на данный момент времени и включают в себя:

- численность – поголовье животных или количество растений в пределах некоторой пространственной единицы – ареала, реки, моря, области и т.д.;

- плотность – число особей или биомасса популяции, приходящаяся на единицу площади или объема;

- показатели структуры – половой (соотношение полов), размерный (соотношение количества особей разных размеров), возрастной состав (соотношение количества особей различного возраста);

- характер распределения особей (равномерное, неравномерное, случайное) в пределах ареала.

Динамические показатели популяции отражают процессы, протекающие в популяции за определенный промежуток времени и включают в себя:

- рождаемость – число новых особей, появившихся в популяции за единицу времени в результате размножения;

- скорость роста популяции – изменение численности популяции в единицу времени. Скорость роста может быть положительной, отрицательной, нулевой. Она зависит от показателей рождаемости, смертности и миграции.

- смертность – число особей, гибнущих в течение определенного промежутка времени.

Продолжительность жизни вида зависит от условий (факторов) жизни. Физиологическая продолжительность жизни определяется только физиологическими возможностям организма. Теоретически она возможна, если допустить, что в период всей жизни организма на него не оказывают влияние лимитирующие факторы. Максимальная продолжительность жизни – это такая продолжительность жизни, до которой может дожить лишь малая доля особей в реальных условиях. Для определения структуры продолжительности жизни строят кривые выживания, где отражена зависимость количества доживших до определенного возраста особей от продолжительности этого интервала с самого момента рождения организмов. Выделяют три основных кривых выживания, к которым в той или иной мере приближены все известные кривые (рисунок 3.1).

Кривая I типа (кривая дрозофилы), когда на протяжении всей жизни смертность ничтожна мала, резко возрастая в конце ее, характерна для насекомых, которые обычно гибнут после кладки яиц, к ней приближаются кривые выживания человека в развитых странах, а также некоторых крупных млекопитающих.

 

 

Рисунок 3.1 – Различные типы кривых выживания

 

Кривая II типа (диагональная) характерна для видов, у которых смертность остается постоянной в течение всей жизни, встречается среди рыб, пресмыкающихся, птиц, многолетних травянистых растений.

Кривая III типа – это случаи массовой гибели особей в начальный период жизни. Гидробионты и другие организмы, незаботящиеся о потомстве, выживают за счет огромного числа личинок, икринок, семян и т.п.

 

Эволюция биосферы

 

Современная биосфера возникла не сразу, а в результате длительной эволюции в процессе постоянного взаимодействия абиотических и биотических факторов. Первые формы жизни, по-видимому, были представлены анаэробными бактериями. Однако созидательная и преобразующая роль живого вещества стала осуществляться лишь с появлением в биосфере фотосинтезирующих автотрофов – цианобактерий и сине-зеленых водорослей, а затем и настоящих водорослей и наземных растений (эукариотов), что имело решающее значение для формирования современной биосферы. Деятельность этих организмов привела к накоплению в биосфере свободного кислорода, что рассматривается как один из важнейших этапов эволюции.

Параллельно развивались и гетеротрофы, и прежде всего – животные. Главное в их развитии являются выход на сушу и заселение материков и, наконец, появление человека.

Биосфера — внешняя оболочка Земли, в которую входят: часть атмосферы до высоты 25—30 км (до озонового слоя), практически вся гидросфера и верхняя часть литосферы примерно до глубины 3 км. Особенностью этих частей является то, что они населены живыми организмами, составляющими живое вещество планеты. Взаимодействие абиотической части биосферы — воздуха, воды и горных пород и органического вещества — биоты обусловило формирование почв и осадочных пород. Последние, по В. И. Вернадскому, несут на себе следы деятельности древних биосфер, существовавших в прошлые геологические эпохи. В сжатом виде идеи В.И. Вернадского об эволюции биосферы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Вначале сформировалась литосфера - предвестник окружающей среды, а затем после появления жизни на суше - биосфера.

2. В течение всей геологической истории Земли никогда не наблюдались азойные геологические эпохи (т. е. лишенные жизни). Следовательно, современное живое вещество генетически связано с живым веществом прошлых геологических эпох.

3. Живые организмы - главный фактор миграции химических элементов в земной коре, «по крайней мере, 90% по весу массы вещества в своих существенных чертах обусловлено жизнью» (В.И. Вернадский, 1934).

4. Грандиозный геологический эффект деятельности организмов обусловлен тем, что их количество бесконечно велико и действуют они практически в течение бесконечно большого промежутка времени.

5. Основным движущим фактором развития процессов в биосфере является биохимическая энергия живого вещества.

 

Состав атмосферы

 

Атмосфера (греч. «атмос» - пар) - газовая оболочка Земли, состоящая из смеси различных газов, водяных паров и пыли. Общая масса атмосферы - 5,15 - 10¹⁵ т. На высоте от 10 до 50 км, с максимумом концентрации на высоте 20-25 км, расположен слой озона, защищающий Землю от чрезмерного ультрафиолетового облучения, гибельного для организмов.

Химический состав атмосферы весьма однороден: азота — 78,8% кислорода — 21, аргона — 0,9; углекислого газа — 0,03% по объему. По современным данным, концентрации диоксида углерода (С0₂) и кислорода (О₂) в значительной степени лимитирующие факторы даже в наземных условиях: содержание СО₂ находится где-то в минимуме, а кислорода — в максимуме толерантности растений по этим факторам (Ю. Одум, 1986).

Атмосферный воздух выполняет и сложнейшую защитную экологическую функцию, предохраняя Землю от абсолютно холодного Космоса и потока солнечных излучений, задерживается масса метеоритов.

 

Методы очистки сточных вод

Ввиду огромного многообразия состава сточных вод существуют различные способы их очистки: механический, физико-химический, химический, биологический и др. В зависимости от степени вредности и характера загрязнений очистка сточных вод может производиться каким-либо одним способом или комплексом методов (комбинированный способ). В процессе очистки предусматривают обработку осадка (или избыточной биомассы) и обеззараживание сточных вод перед сбросом их в водоем.

При механической очистке из производственных сточных вод путем процеживания, отстаивания и фильтрования удаляются до 90% нерастворимых механических примесей различной степени дисперсности (песок, глинистые частицы, окалину и др.), а из бытовых сточных вод - до 60%. Для этих целей применяют решетки, песколовки, песчаные фильтры, отстойники различных типов. Вещества, плавающие на поверхности сточных вод (нефть, смолы, масла, жиры, полимеры и др.), задерживают нефте- и маслоловушками и другого вида уловителями либо выжигают.

Химические и физико-химические методы очистки наиболее эффективны для очистки производственных сточных вод.

К основным химическим способам относят нейтрализацию и окисление. В первом случае для нейтрализации кислот и щелочей в сточные воды вводят специальные реагенты (известь, кальцинированную соду, аммиак), во втором - различные окислители. С их помощью сточные воды освобождаются от токсичных и других компонентов.

При физико-химической очистке используются:

• коагуляция - введение в сточные воды коагулянтов (солей аммония, железа, меди, шламовых отходов и пр.) для образования хлопьевидных осадков, которые затем легко удаляются;

• сорбция - способность некоторых веществ (бентонитовые глины, активированный уголь, цеолиты, силикагель, торф и др.) поглощать загрязнение. Методом сорбции возможно извлечение из сточных вод ценных растворимых веществ и последующая их утилизация;

• флотация - пропуск через сточные воды воздуха. Газовые пузырьки захватывают при движении вверх поверхностно-активные вещества, нефть, масла, другие загрязнения и образуют на поверхности воды легко удаляемый пенообразный слой.

Для очистки коммунально-бытовых промстоков целлюлозно-бумажных, нефтеперерабатывающих, пищевых предприятий широко используют биологический (биохимический) метод. Метод основан на способности искусственно вселяемых микроорганизмов использовать для своего развития органические и некоторые неорганические соединения, содержащиеся в сточных водах (сероводород, аммиак, нитриты, сульфиды и т. д.). Очистку ведут с помощью естественных методов (поля орошения, иловые площадки, поля фильтрации, биологические пруды и др.) и искусственных методов (аэротенки, метатенки, биофильтры, циркуляционные окислительные каналы), биологические модули и др.

После осветления сточных вод образуется осадок, который сбраживают в железобетонных резервуарах (метантенках), а затем удаляют на иловые площадки для подсушивания.

В последние годы активно разрабатываются новые эффективные методы, способствующие экологизации процессов очистки сточных вод:

• электрохимические методы, основанные на процессах анодного окисления и катодного восстановления, электрокоагуляции и электрофлотации;

• мембранные процессы очистки (ультрафильтры, электродиализ и др.);

• магнитная обработка, позволяющая улучшить флотацию взвешенных частиц;

• радиационная очистка воды, позволяющая в кратчайшие сроки подвергнуть загрязняющие вещества окислению, коагуляции и разложению;

• озонирование, при котором в сточных водах не образуется веществ, отрицательно воздействующих на естественные биохимические процессы;

• внедрение новых селективных типов сорбентов для избирательного выделения полезных компонентов из сточных вод с целью вторичного использования и др.

 

Лекция. Охрана почвы

Цель лекции – ознакомить с основными причинами загрязнения и истощения земельных ресурсов, а также изучить мероприятия по защите земель.

Содержание лекции: почва как природный ресурс, источники и причины загрязнения, истощения земельных ресурсов, проблемы опустынивания, мероприятия по защите земель.

 

Почва - один из важнейших компонентов окружающей природной среды. Все основные ее экологические функции замыкаются на одном обобщающем показателе - почвенном плодородии. Отчуждая с полей основной (зерно, корнеплоды, овощи и др.) и побочный урожай (солома, листья, ботва и др.), человек размыкает частично или полностью биологический круговорот веществ, нарушает способность почвы к саморегуляции и снижает ее плодородие. К деградации почв (земель) ведут и другие причины, преимущественно антропогенного характера.

Основные виды антропогенного воздействия на почвы следующие:

1) эрозия (ветровая и водная);

2) загрязнение;

3) вторичное засоление и заболачивание;

4) опустынивание;

5) отчуждение земель для промышленного и коммунального строительства.

Эрозия почв (от лат. erosio - разъедание) - разрушение и снос верхних наиболее плодородных горизонтов и подстилающих пород ветром (ветровая эрозия) или потоками воды (водная эрозия). Земли, подвергшиеся разрушению в процессе эрозии, называют эродированными.

Под ветровой эрозией понимают выдувание, перенос и отложение мельчайших почвенных частиц ветром. Интенсивность ветровой эрозии зависит от скорости ветра, устойчивости почвы, наличия растительного покрова, особенностей рельефа и от других факторов. Огромное влияние на ее развитие оказывают антропогенные факторы. Например, уничтожение растительности, нерегулируемый выпас скота, неправильное применение агротехнических мер резко активизируют эрозионные процессы. Различают местную (повседневную) ветровую эрозию и пыльные бури. В настоящее время крупнейший источник пыли - Арал. На космических снимках видны шлейфы пыли, которые тянутся в стороны от Арала на сотни километров. Общая масса переносимой ветром пыли в районе Арала достигает 90 млн т/г. Другой крупный пылевой очаг - Черные земли Калмыкии.

Под водной эрозией понимают разрушение почв под действием временных водных потоков. Различают следующие формы водной эрозии: плоскостную, струйчатую, овражную, береговую. Как и в случае ветровой эрозии условия для проявления водной эрозии создают природные факторы, а основной причиной ее развития является производственная и иная деятельность человека. В частности, появление новой тяжелой почвообрабатывающей техники, разрушающей структуру почвы, - одна из причин активизации водной эрозии в последние десятилетия. Другие негативные антропогенные факторы: уничтожение растительности и лесов, чрезмерный выпас скота, отвальная обработка почв и др.

Основные загрязнители почвы:

1) пестициды (ядохимикаты);

2) минеральные удобрения;

3) отходы и отбросы производства;

4) газодымовые выбросы загрязняющих веществ в атмосферу;

5) нефть и нефтепродукты.

Одним из глобальных проявлений деградации почв, да и всей окружающей природной среды в целом, является опустынивание - процесс необратимого изменения почвы и растительности и снижения биологической продуктивности, который в экстремальных случаях может привести к полному разрушению биосферного потенциала и превращению территории в пустыню. Всего в мире подвержено опустыниванию более 1 млрд га практически на всех континентах. Причины и основные факторы опустынивания различны. Как правило, к опустыниванию приводит сочетание нескольких факторов, совместное действие которых резко ухудшает экологическую ситуацию. На территории, подверженной опустыниванию, ухудшаются физические свойства почв, гибнет растительность, засоляются грунтовые воды, резко падает биологическая продуктивность, следовательно, подрывается и способность экосистем восстанавливаться. В докладе ЮНЕП (организация ООН по окружающей среде) подчеркивается, что опустынивание - это результат длительного исторического процесса, в ходе которого неблагоприятные явления природы и деятельность человека, усиливая друг друга, приводят к изменению характеристик природной среды.

На территории СНГ опустыниванию подвержено Приаралье, Прибалхашье, Черные земли в Калмыкии и Астраханской области и некоторые другие районы. Все они относятся к зонам экологического бедствия, и их состояние продолжает ухудшаться.

В число основных звеньев экологической защиты почв входят:

• защита почв от водной и ветровой эрозии;

• организация севооборотов и системы обработки почв с целью повышения их плодородия;

• мелиоративные мероприятия (борьба с заболачиванием, засолением почв и др.);

• рекультивация нарушенного почвенного покрова;

• защита почв от загрязнения, а полезной флоры и фауны от уничтожения;

• предотвращение необоснованного изъятия земель из сельскохозяйственного оборота.

Для борьбы с эрозией почв необходим комплекс мер: землеустроительных (распределение угодий по степени их устойчивости к эрозионным процессам), агротехнических (почвозащитные севообороты, контурная система выращивания сельскохозяйственных культур, при которой задерживается сток, химические средства борьбы и т. д.), лесомелиоративных (полезащитные и водорегулирующие лесные полосы, лесные насаждения на оврагах, балках и т. д.) и гидротехнических (каскадные пруды и т. д.).

Для борьбы с заболачиванием почв в районах достаточного или избыточного увлажнения в результате нарушения природного водного режима применяют различные осушительные мелиорации. В зависимости от причин заболачивания это может быть понижение уровня грунтовых вод с помощью закрытого дренажа, открытых каналов или водозаборных сооружений, строительство дамб, спрямление русла реки для защиты от затопления, перехват и сброс атмосферных склоновых вод и др.

Рекультивация - комплекс работ, проводимых с целью восстановления нарушенных территорий и приведения земельных участков в безопасное состояние. Различают техническую, биологическую и строительную рекультивации.

Техническая рекультивация означает предварительную подготовку нарушенных территорий для различных видов использования. В состав работ входят: планировка поверхности, снятие, транспортировка и нанесение плодородных почв на рекультивируемые земли, формирование откосов выемок, подготовка участков для освоения и т. п.

Биологическая рекультивация проводится после технической для создания растительного покрова на подготовленных участках. С ее помощью восстанавливают продуктивность нарушенных земель, формируют зеленый ландшафт, создают условия для обитания животных, растений, микроорганизмов, укрепляют насыпные грунты, предохраняя их от водной и ветровой эрозии, создают сенокосно-пастбищные угодья и т. д. Работы по биологической рекультивации ведут на основе знания развития сукцессионных процессов.

При необходимости выполняют также строительный этап рекультивации, в ходе которого на подготовленных территориях возводят здания, сооружения и другие объекты.

лекция. Введение в экологию. История развития экологии.

 

Цель лекции – ознакомить студентов с историей развития экологии как науки, с основными задачами и методами дисциплины «Экология и устойчивое развитие».

Содержание лекции: определение и история развития экологии как науки, взаимосвязь экологии с другими науками.

Экология (от греч. «ойкос» - жилище и «логос» - учение) – наука, изучающая условия существования живых организмов и взаимосвязи между организмами и средой, в которой они обитают. Изначально экология развивалась как составная часть биологической науки, в тесной связи с другими естественными науками – химией, физикой, геологией, географией, почвоведением, математикой.

Предметом экологии является совокупность или структура связей между организмами и средой. Главный объект изучения в экологии – экосистемы, т.е единые природные комплексы, образованные живыми организмами и средой обитания.

В последнее время роль и значение биосферы как объекта экологического анализа непрерывно возрастает. Особенно большое значение в современной экологии уделяется проблемам взаимодействия человека с окружающей природной средой, что связано с резким усилением взаимного отрицательного влияния человека и среды, возросшей ролью экономических, социальных и нравственных аспектов, в связи с резко негативными последствиями научно-технического прогресса.

Исходя из этого, к основным задачам экологии относится:

- разработка теории устойчивости экологических систем;

- изучение экологических механизмов адаптации к среде;

- изучение биотического разнообразия и механизмов его поддержания;

- исследование процессов, протекающих в биосфере, с целью поддержания ее устойчивости.

Основными прикладными задачами предмета «Экология и устойчивое развитие» являются следующие:

- прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий в окружающей природной среде под влиянием деятельности человека;

- улучшение качества окружающей природной среды;

- сохранение, воспроизводство и рациональное использование природных ресурсов;

- оптимизация инженерных, экономических, социальных и иных решений для обеспечения экологически безопасного устойчивого развития.

Стратегической задачей экологии считается развитие теории взаимодействия природы и общества на основе восприятия человеческого общества как неотъемлемой части биосферы.

Экология своими корнями уходит в далекое прошлое. Потребность в знаниях, определяющих отношение живого к окружающей его среде, возникла давно. В истории развития экологии можно выделить три основных этапа.

Первый этап - зарождение и становление экологии как науки (до 60-х гг. ХIХ в.) На этом этапе накапливались данные о взаимосвязи живых организмов со средой их обитания, делались первые научные обобщения.

Цивилизация возникла тогда, когда человек научился использовать огонь и орудия труда, позволившие ему изменять среду обитания. Переход к земледелию и затем к скотоводству явился кардинальным рубежом в истории человечества. С развитием цивилизации развивались экологические познания и экологические проблемы.

Жан Батист Ламарк (1744 -1829) в книге «Философия зоологии» он впервые широко поставил вопрос о влиянии среды на организмы. Ж. Б. Ламарк так сформулировал выводы своих изысканий: «Спустя множество следующих друг за другом поколений, индивиды, относившиеся по происхождению к одному виду, в конце оказываются превращенными в новый вид, отличный от первоначального».

Второй этап - оформление экологии в самостоятельную отрасль знаний (60-е гг. XIX в.- 50-е гг. XX в.).

Начало этапа ознаменовалось выходом работ русских ученых К. Ф. Рулье (1814-1858), Н. А. Северцова (1827-1885), В. В. Докучаева (1846-1903), впервые обосновавших ряд принципов и понятий экологии, которые не утратили своего значения и до настоящего времени. Немецкий гидробиолог К. Мёбиус (1877) вводит важнейшее понятие о биоценозе как о закономерном сочетании организмов в определенных условиях среды.

Неоценимый вклад в развитие основ экологии внес Ч. Дарвин (1809-1882). Ключевое положение в учении Дарвина занимает теория естественного отбора в результате борьбы за существование. Дарвин писал, что каждый организм зависит не только от условий местообитания, но и от всех других окружающих его существ. В результате естественного отбора сохраняются те организмы, в которых произошли изменения, дающие преимущества для существования в данных условиях.

Третий этап - (50-е гг. XX в. – до настоящего времени) превращение экологии в комплексную науку, включающую в себя науки об охране природной и окружающей человека среды. Из строгой науки экология превращается в «значительный цикл знания, вобрав в себя разделы географии, геологии, химии, физики, социологии, теории культуры, экономики..» (Реймерс, 1994).

Современный период развития экологии в мире связан с именами таких крупных зарубежных ученых, как Ю. Одум, Дж.М. Андерсен, Э. Пианка, Р. Риклефс, М. Бигон, А. Швейцер, Т.Миллер, Б.Небел и др. Среди ученых России следует назвать И.П. Герасимова, А.М. Гилярова, В Г. Горошкова, Н.Ф. Реймерса, В.В. Розанова, В Д. Федорова и др.