Лекция 1. Экология как наука.

Лекция 1. Экология как наука.

Этапы развития экологии как естественнонаучной дисциплины.

 

«Экология» - наука о «доме» (от греч. «ойкос» - жилище, местообитание).

Термин «экология» предложил немецкий зоолог Э. Геккель в 1866 году, но экология как наука возникла в начале ХХ в., а в широкий обиход это слово вошло в 1960-е годы, когда стали говорить об экологическом кризисе как кризисе во взаимоотношениях человека со средой его обитания.

Общая экология - это наука о взаимоотношениях живых существ между собой и с окружающей средой.

Экология изучает организацию и функционирование надорганизменных систем различных уровней вплоть до глобального, т.е. до биосферы в целом.

Экология, бурно развиваясь в ХХ в., прошла несколько этапов, которые сохранились до настоящего времени в качестве разделов экологии:

1. Аутэкология – экология отдельных видов, предметом которой является изучение питания, размножения, миграций, местообитаний отдельных видов животных и растений.

2. Экология популяций (возникла в 1930-е годы на стыке с генетикой) изучает причины изменения численности популяций.

Популяцией (от лат. «populus» - народ) называется группа организмов, относящихся к одному виду и занимающая определенную область, называемую ареалом. Каждый вид может состоять из одной или нескольких популяций, т.е. быть гомогенным или гетерогенным видом.

3. Синэкология, или экология сообществ, возникла в середине ХХ века на основе синтеза экологии с термодинамикой и системным подходом. Синэкология ввела в обиход такие экологические понятия как сообщество (биоценоз), экосистема (биогеоценоз), экологическая ниша и другие.

Сообществом, или биоценозом, называют совокупность различных видов растений и животных, населяющих участок среды обитания. Совокупность сообщества и среды носит название экологической системы, или биогеоценоза.

Термин экосистема был введен английским экологом А. Тэнсли в 1935 году.

В 1944 году В.Н. Сукачевым предложен термин биогеоценоз, а В.И. Вернадский еще ранее использовал понятие «биокосное тело».

Главное значение этих понятий состоит в том, что они подчеркивают обязательное наличие взаимоотношений, взаимозависимости и причинно-следственных связей, иначе говоря, объединение компонентов в функциональное целое.

Задачи общей экологии.

 

В теоретической области экология пытается найти общие закономерности организации жизни путем:

1) разработки теории устойчивости экосистем;

2) изучения экологических механизмов адаптации к среде;

3) исследования регуляции численности популяций;

4) изучения биологического разнообразия и механизмов его поддержания;

5) исследования продукционных процессов;

6) моделирования состояния экосистем и глобальных биосферных процессов.

Основные прикладные задачи, связанные с воздействием общества на природную среду, решает социальная экология:

1) прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий деятельности человека;

2) улучшение качества окружающей среды;

3) сохранение, воспроизводство и рациональное использование природных ресурсов;

4) оптимизация деятельности общества по преобразованию природы в различных направлениях для обеспечения его устойчивого развития.

Антропогенные факторы.

 

Антропогенные факторы вызываются человеческой деятельностью. Они всегда (или почти всегда) неблагоприятны для экосистем и поэтому называются загрязнениями:

1. ингредиентное загрязнение – внесение химических веществ, чуждых сообществам;

2. параметрическое загрязнение – тепловые и электромагнитные поля, шум и др.;

3. биоценотическое загрязнение – вмешательство в сообщества, например, внесение новых видов, перепромысел и др.;

4. стациально-деструктивное загрязнение – изменение ландшафтов: добыча ископаемых, строительство городов, дорог и др.

 

Экологические пирамиды.

 

Пищевые цепи могут быть записаны в иной форме – как пирамиды.

Экологическая пирамида, представляющая собой трофическую структуру, основанием которой служит уровень продуцентов, а последующие уровни образуют этажи и вершину пирамиды, может быть трех основных типов:

1) пирамида чисел, отражающая численность отдельных организмов;

2) пирамида биомассы, характеризующая общий сухой вес, калорийность или другую меру общего количества живого вещества;

3) пирамида энергии, показывающая величину потока энергии и (или) “продуктивность” на последовательных трофических уровнях».

Если пирамиды численностей и биомассы могут быть перевернутыми (последующий уровень шире предыдущего), то энергетическая пирамида всегда сужается кверху, поскольку энергия теряется на каждом последующем уровне.

 

Продуктивность экосистем.

 

Важнейшей характеристикой экосистемы является ее продуктивность, под которой понимается как рост организмов, так и создание органического вещества. В продукт фотосинтеза превращается от 1 до 2% поглощенной растениями солнечной энергии.

Среди произведенной в процессе фотосинтеза продукции выделяют первичную продуктивность, которая определяется как скорость, с которой лучистая энергия усваивается организмами-продуцентами, главным образом зелеными растениями.

Ее разделяют на валовую первичную продукцию (ВПП), включая ту органику, которая была израсходована на дыхание, и чистую первичную продукцию (ЧПП) - за вычетом использованной при дыхании растений (40-70%).

Чистая продуктивность сообщества - скорость накопления органического вещества, не потребленного гетеротрофами. Скорость накопления энергии на уровне консументов называют вторичной продуктивностью. В соответствии со вторым началом термодинамики поток энергии с каждой ступенью уменьшается, так как при превращениях одной формы энергии в другую часть энергии теряется в виде тепла.

В стабильных сообществах практически вся продукция тратится в пищевых цепях, и биомасса сообщества остается постоянной.

Эффективность природных систем много ниже КПД электромоторов и других двигателей. В живых системах много «горючего» уходит на «ремонт» (что, кстати, не учитывается при расчете КПД двигателей).

Любое повышение эффективности биологических систем оборачивается увеличением затрат на их поддержание. Экологическая система - это машина, из которой нельзя «выжать» больше, чем она способна дать. Всегда наступает предел, после которого выигрыш от роста эффективности сводится на «нет» ростом расходов и риском разрушения системы.

 

Закон сукцессии.

 

В масштабах времени экосистемы не остаются неизменными, они меняются по определенным законам и эти изменения называются сукцессией.

Сукцессия – это последовательное смена сообществ, преемственно возникающая на одной и той же территории (биотопе) под влиянием внутренних причин.

Сукцессия происходит в результате изменения физической среды под действием сообщества, т.е. контролируется им.

Замещение видов в экосистемах вызывается тем, что популяции, стремясь модифицировать окружающую среду, создают условия, благоприятные для других популяций; это продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие между биотическими и абиотическими компонентами. Такое равновесное сообщество называется зрелым, или климаксным.

Сукцессия в энергетическом смысле связана с фундаментальным сдвигом потока энергии в сторону увеличения количества энергии, направленной на поддержание системы.

Сукцессия состоит из стадий роста, стабилизации и климакса. Их можно различать на основе критерия продуктивности: на первой стадии продукция растет до максимума, на второй остается постоянной, на третьей уменьшается до нуля по мере деградации системы.

Стратегия экосистем – «наибольшая защита», стратегия человека – «максимум продукции».

Естественная сукцессия, о которой говорилось в начале данной лекции, является первичной сукцессией. Она происходит на первично свободном субстрате.

Вторичная (антропогенная) сукцессия является следствием деятельности человека и происходит быстрее первичной. Она возникает на вырубках и после пожаров в лесу, при рекультивации в местах добычи полезных ископаемых, на пастбищах при перевыпасе, в рекреационных зонах, а также как цветение пресных водоемов из-за избыточного стока удобрений с полей.

Сукцессии разномасштабны и иерархичны: они происходят не только на обширных территориях суши, но на стволах деревьев и в пнях, не только в океанах, но в лужах и прудах.

 

Коэволюция в экосистемах.

 

Коэволюция, или «сопряженная эволюция - это тип эволюции сообщества (т.е. эволюционных взаимодействий между организмами, при которых обмен генетической информацией между компонентами минимален или отсутствует), заключающийся во взаимных селективных воздействиях друг на друга двух больших групп организмов, находящихся в тесной экологической взаимозависимости».

Ю. Одум подчеркивает два важных принципа, лежащих в основе коэволюции:

1) в ходе развития экосистем существует тенденция к уменьшению роли отрицательных взаимодействий (конкуренции и эксплуатации) за счет положительных, увеличивающих выживание взаимодействующих видов;

2) в недавно сформировавшихся или новых ассоциациях вероятность возникновения сильных отрицательных взаимодействий больше, чем в старых ассоциациях.

Наличие этих принципов не означает, что со временем хищники и паразиты исчезают. В природе нет ничего вредного для вида, так как то, что вредно для индивида и популяции, полезно для вида с точки зрения эволюции.

Концепция коэволюции хорошо объясняет эволюцию в системе «хищник – жертва» - постоянное совершенствование и того, и другого компонента экосистемы. Хищники и паразиты регулируют численность популяций, не имеющих механизмов предотвращения перенаселения, следствием чего могло бы быть самоуничтожение. Отрицательные взаимодействия могут ускорять естественный отбор, приводя к возникновению новых адаптаций, морфологических и физиологических изменений, и способствуя тем самым увеличению разнообразия признаков и эволюции видов.

К интересным результатам привело изучение системы «хозяин – паразит». Отбор ведет к уменьшению вредности паразита для хозяина. В системе «хозяин – паразит» он должен способствовать выживанию менее вирулентных (опасных для хозяина) паразитов и более резистентных (устойчивых к паразитам) хозяев.

Постепенно паразит становится комменсалом, т.е. безопасным для хозяина, а затем они могут стать мутуалами – организмами, которые способствуют взаимному процветанию, как грибы и фотосинтезирующие бактерии, вместе образующие лишайники. Но так происходит не всегда. Паразиты являются неизбежной, обязательной частью экосистемы. И в этой паре идет конкурентная борьба, в результате которой усложняются и те, и другие. Гибель одного ведет к гибели другого, а сосуществование увеличивает сложность всей системы.

 

Социоприродные экосистемы.

 

Существует два основных типа социоприродных систем, созданных человеком, – агросистемы и урбосистемы.

С экологической точки зрения, основным отличием от естественных экосистем является то, что агросистема нуждается в постоянном управлении, а урбосистма – аномальна, так как полностью зависит от поступления вещества и энергии из окружающих экосистем.

 

Лекция 7. Понятие биосферы.

Лекция 1. Экология как наука.

Этапы развития экологии как естественнонаучной дисциплины.

 

«Экология» - наука о «доме» (от греч. «ойкос» - жилище, местообитание).

Термин «экология» предложил немецкий зоолог Э. Геккель в 1866 году, но экология как наука возникла в начале ХХ в., а в широкий обиход это слово вошло в 1960-е годы, когда стали говорить об экологическом кризисе как кризисе во взаимоотношениях человека со средой его обитания.

Общая экология - это наука о взаимоотношениях живых существ между собой и с окружающей средой.

Экология изучает организацию и функционирование надорганизменных систем различных уровней вплоть до глобального, т.е. до биосферы в целом.

Экология, бурно развиваясь в ХХ в., прошла несколько этапов, которые сохранились до настоящего времени в качестве разделов экологии:

1. Аутэкология – экология отдельных видов, предметом которой является изучение питания, размножения, миграций, местообитаний отдельных видов животных и растений.

2. Экология популяций (возникла в 1930-е годы на стыке с генетикой) изучает причины изменения численности популяций.

Популяцией (от лат. «populus» - народ) называется группа организмов, относящихся к одному виду и занимающая определенную область, называемую ареалом. Каждый вид может состоять из одной или нескольких популяций, т.е. быть гомогенным или гетерогенным видом.

3. Синэкология, или экология сообществ, возникла в середине ХХ века на основе синтеза экологии с термодинамикой и системным подходом. Синэкология ввела в обиход такие экологические понятия как сообщество (биоценоз), экосистема (биогеоценоз), экологическая ниша и другие.

Сообществом, или биоценозом, называют совокупность различных видов растений и животных, населяющих участок среды обитания. Совокупность сообщества и среды носит название экологической системы, или биогеоценоза.

Термин экосистема был введен английским экологом А. Тэнсли в 1935 году.

В 1944 году В.Н. Сукачевым предложен термин биогеоценоз, а В.И. Вернадский еще ранее использовал понятие «биокосное тело».

Главное значение этих понятий состоит в том, что они подчеркивают обязательное наличие взаимоотношений, взаимозависимости и причинно-следственных связей, иначе говоря, объединение компонентов в функциональное целое.