Біоекологія та прикладна екологія

Біоекологія — частина біології, що вивчає відносини організмів (особин, популяцій, біоценозів тощо) між собою та з навколишнім середовищем. Біоекологія належить до фундаментальних розділів біології (молекулярна біологія, морфологія, фізіологія, генетика, теорія еволюції, ембріологія), що вивчають основні властивості життя і не обмежуються дослідженням окремих груп організмів.

Екологія є складовою частиною всіх таксономічних підрозділів біології (ботаніка, зоологія, мікробіологія та ін). Тому можна говорити про екологію рослин (фітоекологія), екологію тварин (зооекологія), екологію грибів, екологію мікроорганізмів. Розглядаючи більш часткові елементи цих розділів, можна виділити екологію людини, птахів, риб, комах тощо.

В залежності від рівня біологічної організації (організмений ® популяційно-видовий ® рівень екосистем ® біосфера) виділяють такі підрозділи біоекології:

1) аутекологію — один з основних розділів загальної екології, що вивчає взаємовідносини особин або груп особин того чи іншого виду з умовами середовищ. Цей розділ займається, головним чином, визначенням меж стійкості виду і його ставленням до різних екологічних факторів. Аутекологія вивчає також вплив середовища на морфологію, фізіологію та поведінку організмів;

2) демекологію (популяційну екологію) — окремий підрозділ аутекології, завданням якої є вивчення структури й динаміки чисельності популяцій окремих видів. Демекологія пов’язана з вирішенням таких проблем, як механізми регуляції чисельності організмів, оптимальна густота і допустимі норми їх відбору з популяцій використовуваних видів, наприклад у разі промислового лову, знищення або ослаблення популяцій у випадку боротьби з шкідниками сільського господарства;

3) синекологію — вчення про співтовариство рослин, тварин і мікроорганізмів, їх взаємодії один з одним і з неорганічним середовищем проживання. В синекології дослідження проводять в двох напрямках — статичному і динамічному. Статичний напрям (описова синекологія) займається встановленням видового складу угруповань, чисельністю, частотою виявлення виду, видовим представництвом та просторовим розміщенням. Динамічний напрям (функціональна синекологія) обіймає два аспекти. Перший стосується розвитку угру-повань і дослідження причин, які призвели до їх зміни. Другий займається обміном речовин та енергії між різними компонентами екосистеми, а також вивчає кормові ланцюги, біомасу і енергію, продуктивність біоценозів. Цей напрям ще називають кількісною синекологією;

4) біогеоценологією, або екологію екосистем, що вивчає біогеоценотичний шар Земної кулі і, зокрема, конкретні біогеоценози (суходільні, водні), в яких взаємодіють біоценози і абіотичне середовище;

5) біосферологію (глобальну екологію), що вивчає біосферу як єдине планетарне ціле, з’ясовує закономірності еволюції біосфери.

Прикладна екологія — дисципліна, що вивчає механізми руйнування біосфери людиною, способи запобігання цим процесам та розробляє принципи раціонального використання природних ресурсів без деградації життєвого середовища. Прикладна екологія базується на системі законів, правил та принципів екології та природокористування.

Основним завданням прикладної екології є пізнання законів і закономірностей взаємодії людського суспільства з біосферою з метою запобігання порушенню екологічної рівноваги внаслідок антропогенної дії на навколишнє природне середовище і на основі цього розробка заходів для забезпечення екологічної та техногенної безпеки біосфери — створення таких методів і засобів формування та управління природними й природно-антропогенними екосистемами, які забезпечили б їх функціонування, не порушуючи динамічної рівноваги в природі та механізмів саморегуляції біосфери.

Прикладна екологія складається з трьох основних блоків — геоекологічного, тех-ноекологічного й соціоекологічного — кожен з яких, відповідно до диференціації галузевих напрямів, має десятки відгалужень. Прикладна екологія охоплює такі підрозділи, як раціональне використання природних ресурсів, охорону навколишнього природного середовища, науки про соціально-економічні фактори впливу на довкілля та науки про техногенні фактори його забруднення.

Геоекологія вивчає специфіку взаємовідносин організмів і середовища їх існування в різних географічних зонах (на суходолі й в океані, в тундрі, тайзі й тропіках, у горах і пустелях тощо), дає екологічну характеристику різних географічних регіонів, областей, районів, ландшафтів, розглядає екологічні наслідки геологічних процесів, видобування корисних копалин, здійснює екологічне картографування.

Соціальна екологія досліджує специфічну роль людини в довкіллі не як біологічного виду, а як соціальної істоти, відмінності цієї ролі від функції інших живих істот, вивчає шляхи оптимізації взаємовідносин людського суспільства з природою, формує екологічну свідомість, екологічну культуру за допомогою нових методів і підходів екологічної освіти та виховання, формулює закони про екологічне природокористування, принципи й критерії екологічного менеджменту, контролю й бізнесу, здійснює соціально-екологічний моніторинг, закладає основи локальної, регіональної та глобальної екологічної політики.

До розділу наук про соціально-економічні фактори впливу на довкілля входять такі підрозділи, як екологічна освіта, екологічне право, екологічна етика, екологія народонаселення, урбоекологія, екологічний менеджмент і маркетинг, екологічний аудит, міжнародна та національна екополітика тощо.

Техноекологія — найбільший блок прикладних екологічних напрямів (дисциплін), пов'язаних із такими об'єктами людської діяльності, як енергетика, промисловість, сільське господарство, транспорт, військова справа, наука, космос. Вона визначає обсяги, механізми й наслідки впливів на довкілля та здоров'я людини різних галузей і об'єктів, особливості використання ними природних ресурсів, розробляє регламентації природокористування й технічні засоби охорони природи, опікується проблемами утилізації відходів виробництва та відтворення зруйнованих екосистем, екологізацією виробництв.

До розділу наук про техногенні фактори забруднення навколишнього природного середовища (техногенна екологія) належать такі підрозділи, як екологія промисловості, енергетики, агроекологія, екологічні проблеми транспорту, військово-промислового комплексу, космосу, рекреаційної справи тощо. Кожний з цих розділів поділяється на підрозділи. Зокрема, екологія промисловості об’єднує такі підрозділи, як екологічні проблеми хімічної, металургійної, паливної, електричної, машинобудівної, легкої, лісогосподарської промисловості та будматеріалів, харчових виробництв тощо. Агроекологія поділяється на агрохімічну й меліоративну екологію та екологію тваринництва.

Інженерна екологія вивчає вплив промисловості на природу і природи на промисловість, вплив умов природного середовища на функціонування підприємств та їх комплексів. Об'єктом дослідження інженерної екології є системи, що утворилися та тривалий час функціонують внаслідок взаємодії конкретного виду суспільного виробництва з навколишнім природним середовищем. Інженерна екологія базується на повному та глибокому знанні технології виробництва. Вона використовує якісні та кількісні параметри технологічних процесів для оцінки їхнього впливу на природне середовище. Наслідком інженерно-екологічного аналізу є визначення взаємозв'язків між параметра-ми технологічних процесів та змінами природного середовища, встановлення вихідних даних для розробки конкретних природоохоронних заходів певного виробництва. У даному випадку екологія є теоретичною базою, котра встановлює обмеження на параметри виробництва, а інженерні дисципліни — підґрунтям реалізації технічних рішень у певній виробничій сфері для дотримання екологічних обмежень.

Сучасна прикладна екологія охоплює два основних аспекти — охорону довкілля та раціональне природокористування.

Охорона довкілля вивчає джерела забруднення і вплив їх на окремі екосистеми та біосферу в цілому з метою запобігання їх шкідливому впливу. Основною метою раціонального природокористування є забезпечення споживання природних ресурсів людською спільнотою в таких межах, аби сприяти екологічній безпеці як окремих екосистем, так і біосфери загалом, не порушуючи при цьому стійкості динамічної рівноваги в природі.

Охорона навколишнього природного середовища — система заходів, скерованих на підтримку взаємодії людини та навколишнього природного середовища, що забезпечують збереження та відновлення природних багатств, раціональне використання природних ресурсів, попередження безпосереднього або опосередкованого впливу результатів діяльності суспільства на природу та здоров’я людини.

Атмосфера і гідросфера.

Природне середовище в широкому розумінні — космічний простір, а у вужчому — біосфера, — зовнішня оболонка Землі, яка охоплює нижню частину атмосфери (30 км), всю гідросферу і верхню частину літосфери (до глибини 10 км), що взаємозв’язані складними біогеохімічними циклами міграції речовин та енергії.

Атмосфера — газова оболонка Землі, яка обертається разом з нею. Маса атмосфери становить приблизно одну мільйонну маси Землі — 5,15·10¹⁵ т. Атмосферне повітря забезпечує рослинний і тваринний світ життєво необхідними газуватими речовинами, створює захист Землі від дії метеоритів, космічного випромінювання тощо.

За характером зміни різних параметрів атмосферу Землі розділяють на такі шари: тропосфера (9...18 км.), стратосфера (50...55 км.), мезосфера (80...90 км.), термосфера або іоносфера (вище 90 км до 800...1000 км.) і екзосфера (вище 800...1000 км). За складом повітря виділяють також озоносферу, яка приблизно збігається зі стратосферою і має максимальну концентрацію озону на висотах 20...25 км. Крім того, за хімічним складом атмосферу Землі поділяють на нижню (до 100 км) — гомосферу, яка має склад, подібний до приземного повітря, і верхню — гетеросферу неоднорідного хімічного складу.

Основна маса атмосферного повітря (90 %) зосереджена в нижньому шарі — тропосфері, в якому щільність повітря з висотою швидко зменшується.

До складу тропосфери за об’ємом входять: азот — 78,08 %, кисень — 20,95 %, аргон — 0,93 %, вуглекислий газ — 0,03 %. На частку неону, гелію, криптону, ксенону, водню, метану, озону і всіх інших газів, які присутні у повітрі в мікрокількості, припадає приблизно 0,01 %. Крім того, атмосферне повітря містить водяну пару та домішки так званих аерозолів, тобто дуже дрібних крапель рідин і твердих часток як природного, так і штучного походження: сірчистих, мінеральних (пил із земної поверхні), вуглеводневих (сажа), морських (частинки морських солей) та ін.

Атмосфера регулює теплообмін Землі з космічним простором, впливає на її радіацій-ний та водяний баланс. Одним з найважливіших факторів, що визначають стан атмос-фери, є її взаємодія з океаном, оскільки процеси газообміну і теплообміну між ними сут-тєво впливають на клімат Землі. З основних компонентів атмосфери найбільше змінює-ться вміст у повітрі водяної пари, що визначається співвідношенням процесів випарювання, конденсації і горизонтального перенесення. Водяна пара є джерелом утворення хмар, туманів, опадів, вона також захищає земну поверхню від надмірного охолодження, приймаючи участь у парниковому ефекті.

Клімат — це багаторічний режим погоди, властивий тій чи іншій місцевості. Кліматичні умови Землі створюються внаслідок взаємопов’язаних процесів теплообміну, вологообміну і загальної циркуляції атмосфери. Клімат характеризується середніми показниками світла, температури, вологості повітря, рівнем опадів, рівнем радіації, атмосферного тиску, напрямками вітрів тощо.

Гідросфера — водяна оболонка Землі, сукупність всіх вод на Землі: материкових (глибинних, ґрунтових, поверхневих), океанічних і атмосферних. Запаси води на Землі величезні — 20 млрд. км³ (0,025 % її маси). Але це переважно гірко-солона океанічна та морська вода (92 %), непридатна для пиття й технологічного використання, оскільки її солоність становить 12...260 г/л.

До надземної частини гідросфери, що вкриває 71 % поверхні Земної кулі (361 млн. км²), належать океани, моря, озера, ріки, а також льодовики, в яких вода перебуває у твердому стані. Підземна частина гідросфери охоплює ґрунтові, підґрунтові, напірні й безнапірні води, тріщинні води і води карстових порожнин у легкорозчинних гірських породах (вапняках, гіпсах тощо). Об’єм підземних вод становить близько 60 млн. км³.

Прісна вода має вміст мінеральних солей до 1 г/л. Незважаючи на величезні обсяги гідросфери, прісні води становлять менше 3 % її об’єму, причому 85 % прісної води зосереджено в льодовикових щитах Гренландії та Антарктиди, айсбергах і гірських льодовиках. І лише 1 % прісної води містять прісноводні озера, водосховища, річки й підземні водоносні горизонти; саме ці джерела й використовує людство для своїх потреб.

Усі форми водних мас переходять одна в одну у процесі перетворення. Вода у біосфері перебуває у безперервному русі, бере участь у геологічному та біологічному кругообігах речовин. Величезну роль відіграють води в формуванні поверхні Землі, її ландшафтів, у розвитку будь-яких процесів, перенесенні хімічних речовин вглиб планети і на її поверхні, транспортуванні забруднювачів довкілля.

Таким чином, вода на Землі виконує чотири екологічні функції: 1) найважливішої мінеральної сировини, головного природного ресурсу споживання; 2) основного інструменту у механізмі здійснення взаємозв’язків усіх процесів у екосистемах (обмін речовин, тепла, ріст біомаси); 3) головного агента-переносника глобальних біоенергетичних екологічних циклів; 4) основної складової всіх живих організмів.

 

Літосфера

Наша планета Земля є стиснутою з полюсів кулею — геоїдом — з полярним радіусом 6357 км і екваторіальним радіусом 6378 км. Площа поверхні Землі сягає 510 млн. км², її об’єм — 1,083·10¹² км³, а маса — 5,976·10²¹ т. Середня щільність Землі становить 5520 кг/м³, при щільності більшості поверхневих порід — 2500...3000 кг/м³.

Будова Землі неоднорідна. Вона складається з трьох оболонок — земної кори, мантії та ядра, де різко змінюються швидкості пружних сейсмічних хвиль, викликаних землетрусами або штучними вибухами.

Земна кора — зовнішній твердий шар Землі. Земна кора ділиться на континентальну та океанічну. Вона складає біля 1 % об’єму та 0,5 % маси Землі. Товща земної кори під ложем океану досягає 5...12 км, у рівнинних регіонах — 30...40 км, а під горами — 50...70 км. На континентах Земна кора має три прошарки: верхній — осадові породи; середній — граніти, гнейси, лабрадорити і габро; нижній — базальти. Під океанами два прошарки: осадові породи, що залягають на базальтах.

Глибше земної кори знаходиться мантія, яка розділяється на два шари: верхню мантію та нижню мантію. Об’єм мантії складає 83 % об’єму Землі, маса — 67 % маси нашої планети. Мантія Землі простягається нижче земної кори до глибини 2950 км від поверхні. Ще глибше до центру Землі (до глибини 6371 км) розташовано земне ядро. Зовнішня частина земного ядра схожа властивостями на рідину. Ядро займає 16 % по об’єму і 31,5 % по масі.

Літосфера — зовнішня тверда оболонка Землі, що охоплює всю земну кору й частину верхньої мантії; вона складається з осадових, вивержених і метаморфічних порід. Товщина літосфери на континентах і під океанами різниться і становить в середньому відповідно 25...200 і 5...100 км. Переважна частина земної поверхні — це рівнини континентів і океанічного дна. Основна частина літосфери складається з вивержених магматичних порід (95 %), серед яких на континентах переважають граніти, а в океані — базальти.

Літосфера є джерелом усіх мінеральних ресурсів людства — корисних копалин. З різними породами земної кори, як і з її тектонічними структурами, пов’язані різні корисні копалини: горючі, металічні, будівельні, а також такі, які є сировиною для хімічної та харчової промисловості. У межах літосфери періодично відбуваються сучасні фізико-географічні процеси (зсуви, селі, обвали, ерозія), які мають величезне значення для формування екологічних ситуацій у різних регіонах планети.

У верхній частині континентальної земної кори розвинені ґрунти. Ґрунт — органічно-мінеральний продукт багаторічної (сотні та тисячі років) спільної діяльності живих організмів, води, повітря, сонячного тепла та світла — є одним з найважливіших природних ресурсів. Це природні утворення, які характеризуються родючістю — здатністю забезпечувати рослини речовинами, необхідними для їхньої життєдіяльності. Залежно від кліматичних і геолого-географічних умов ґрунти можуть мати товщину від 15 см до 3 м.

Екологічні фактори

Екологічний фактор — це будь-який нерозчленований далі елемент середовища, здатний прямо чи опосередковано впливати на живі організми хоча б упродовж однієї з фаз їх індивідуального розвитку.

Виділяють такі основні групи екологічних факторів, об'єднаних за певним показником: 1) за часом — фактори часу (еволюційний, історичний, діючий); 2) періодичності (періодичний і неперіодичний); 3) за середовищем виникнення (атмосферні, водні, геоморфологічні, фізіологічні, генетичні, екосистемні); 4) первинні та вторинні; 5) за походженням (космічні, біотичні, абіотичні, природно-антропогенні, техногенні, антропогенні); 6) за характером (інформаційні, фізичні, хімічні, енергетичні, термічні, біогенні, кліматичні, комплексні); 7) за спектром впливу (вибіркової чи загальної дії); 8) за умовами дії; 9) за об'єктом впливу; 10) за наслідками впливу (летальні, екстремальні, обмежувальні, мутагенні, занепокоєння).

Абіотичні фактори — сукупність неорганічних умов середовища. До них належать кліматичні, атмосферні, ґрунтові, геоморфологічні, гідрологічні та ін. Крім того, виділяють хімічні (склад атмосферного повітря, мінеральний склад води тощо) і фізичні (температура, світло, променева енергія, вологість тощо).

Біотичні фактори — це форми взаємодії і взаємовідносин живих організмів, впливу одних організмів або їх співтовариств на інші. Ці впливи можуть бути з боку рослин (фітогенні), тварин (зоогенні), мікроорганізмів, грибів тощо.

Антропогенні фактори — форми діяльності людини, які впливають на фізичні і хімічні характеристики оточуючого середовища чи життєдіяльність організмів. Серед них розрізняють фактори прямого впливу на організми (промисел) і опосередкованого — вплив на місце проживання (забруднення середовища, знищення рослинного покриву, будівництво гребель на ріках тощо).

Прояв впливу факторів виражається в зміні життєдіяльності організмів. Це призводить до зміни чисельності популяції. Можна виділити такі закономірності:

1)за певних значень фактора складаються найсприятливіші умови для життєдіяльності організмів. Такі умови називають оптимальними, а відповідні значення фактора — оптимумом;

2)чим більше значення фактора відхиляється від оптимальних, тим сильніше пригнічується життєдіяльність особин. У зв'язку з цим виділяють зону їх нормальної життєдіяльності;

3)діапазон значень фактора, за межами якого нормальна життєдіяльність особин стає неможливою, називають межею витривалості. Розрізняють верхню і нижню межі витривалості. Діапазон значень фактора, за межами якого організм почувається пригнічено, називають зоною пригнічення (песимуму).

Діапазон значень оптимуму й песимуму є критерієм для визначення екологічної валентності (екологічної толерантності) —здатності організму пристосовуватися до змін умов середовища. Кількісно вона охоплює діапазон від нижнього песимуму (екологічний мінімум на шкалі фактора) до верхнього песимуму (екологічний максимум). У цьому полягає суть закону екологічної валентності: діапазон значень зміни фактора верхнього й нижнього песимумів, за яких організми здатні пристосуватися до змін умов середовища, визначають межу витривалості.

Стенобіонти — організми, що можуть жити при дуже незначній зміні факторів середовища (орхідеї, далекосхідний рябчик, форель). Еврибіонти — організми, що можуть жити при значних змінах факторів середовища (колорадський жук, пацюки, вовки, таргани, очерет).

Лекція № 2

Тема: „Загальні уявлення про біосферу”

 

ПЛАН

2.1. Жива речовина.

2.2. Типи живих організмів біосфери Землі.

2.3. Загальні уявлення про екосистеми.

2.4. Види та популяції.

2.5. Екологічна ніша.

 

Жива речовина

Основними компонентами біосфери є:

1) жива речовина (біота) — рослини, тварини та мікроорганізми;

2) біогенна речовина — органічні та органо-мінеральні продукти, створені живими організмами впродовж геологічної історії (кам'яне вугілля, горючі сланці, торф, нафта та ін.);

3) нежива (косна) речовина — гірські породи неорганічного походження і вода, які являють собою середовище для проживання живих організмів;

4) біокосна речовина — результат синтезу живої та неживої речовин (осадові породи, кора вивітрювання, ґрунти, мули (підводні ґрунти));

5) радіоактивне, електромагнітне та інші види випромінювання, космічна речовина (метеорити та ін.).

Функції живої речовини: використовуючи сонячну енергію, вона створює з простих, бідних на енергію молекул, передусім води й вуглекислого газу, складніші й енергетичне впорядкованіші сполуки (вуглеводи, білки, жири, нуклеїнові кислоти та ін.), або переробляє їх. Жива речовина концентрує хімічні елементи, перерозподіляє їх у земній корі, руйнує й агрегує неживу матерію, окиснює, відновлює й перерозподіляє хімічні сполуки. Суха маса живої речовини оцінюється в 2...3 трлн. т — приблизно в мільярд разів менше за масу Землі.

Жива речовина відрізняється від неживої надзвичайно високою активністю, зокрема дуже швидким кругообігом речовин. Уся жива маса біосфери оновлюється за 33 дні, а фітомаса (маса рослин) — щодня. Життєдіяльність тварин, рослин і мікроорганізмів супроводжується безперервним обміном речовин між біотою та зовнішнім середовищем, унаслідок чого всі атоми земної кори, атмосфери й гідросфери протягом історії Землі багаторазово входили до складу живих організмів. Образно кажучи, ми п'ємо воду, що колись входила до складу тканин юрських папоротей і кембрійських трилобітів, і дихаємо повітрям, яким дихали не лише наші далекі предки, а й динозаври.

Основні властивості живої речовини:

1. високоорганізована внутрішня структура;

2. здатність уловлювати із зовнішнього середовища й трансформувати речовини та енергію, забезпечуючи ними процеси своєї життєдіяльності;

3. здатність підтримувати сталість власного внутрішнього середовища, незважаючи на коливання умов середовища зовнішнього, якщо ці коливання сумісні з життям;

4. здатність до самовідтворення шляхом розмноження.

Жива речовина існує у формі конкретних живих одиниць — організмів, які, в свою чергую, групуються у види та популяції.

Кожен організм має свою програму розвитку й діяльності, записану у вигляді певної сукупності генів, — генотип. Ця програма реалізується в характерних, притаманних лише даному організмові зовнішньому вигляді, фізіологічних і біохімічних властивостях, у поведінці. Сукупність усіх ознак та властивостей, що визначаються генотипом, називається фенотипом. За рахунок фенотипу організм оптимальною мірою пристосовується до зовнішнього середовища, перебуває з ним у найбільш гармонійних відносинах. Організми одного виду мають досить схожі, хоча й не ідентичні генотипи й фенотипи. Сукупність генотипів усіх видів нашої планети становить її генофонд (це майже синонім терміна «видова різноманітність»). Втрата будь-якого виду призводить до зменшення видової різноманітності й порушує гармонію у взаємовідносинах живої та неживої речовин.

Простір нашої планети, в якому існує жива речовина, називають біосферою.

Біосфера охоплює три геологічні сфери — частини атмосфери й літосфери та всю гідросферу. Межі біосфери визначаються межами поширення й активної роботи живої речовини. Верхня межа біосфери в атмосфері досягає нижніх шарів стратосфери (30 км над поверхнею планети), де ще трапляються в досить великій кількості спори й навіть клітини бактерій, грибів і деяких водоростей, що активно вегетують. Вище озонового шару живе зазвичай гине під дією космічних випромінювань. Біосфера охоплює всю гідросферу, в тому числі найбільші океанічні западини до 11 км, де існує значна кількість глибоководних видів. Межею біосфери в літосфері можна вважати глибини, на яких температура літосфери починає перевищувати 100 °С — близько 10 км на рівнинах і 7...8 км у горах.