I. Предмет и задачи экологии

Раздел I. Предмет и задачи экологии. Термин «экология» (от греч. oikos — дом, родина и logos — учение, слово) впервые введен в 1866 г. немецким биологом, профессором Йенского университета Э. Геккелем (1834—1919). 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». Немецким биолог эволюционист, Эрнст Геккель, последователь Ч.Дарвина считал, что определяющим основным предметом исследования этого раздела биологии- взаимоотношения организмов с окружающей средой, к которой он относил «все условия их существования». «Под экологией мы понимаем – изучение всех сложных взаимоотношений, которые Дарвин называет, условиями, порождающими борьбу за существование». В середине XX в. экологию стали понимать как науку об экосистемах и биосфере. Начало такому пониманию положили работы В. И. Вернадского, В. В. Докучаева, Ю. П. Одума, А. Дж. Тенсли, Н. В. Тимофеева-Ресовского и других известных ученых. В таблице 1. приведен календарь событий, иллюстрирующий долгий путь становления экологии как науки.^ Тема 2. Предмет, задачи и структура современной экологииСодержание современной экологии лучше всего можно определить, исходя из концепции уровней организации. Сообщество, популяция, организм, орган, клетка и ген – основные уровни организации жизни. Расположены в иерархическом порядке – от малых систем к крупным. На каждом уровне или ступени в результате взаимодействия с окружающей физической средой (энергией и веществом) возникают характерные функциональные системы. Экология изучает, главным образом, системы надорганизменных уровней организации: популяционные, экологические. Самой крупной и наиболее близкой к идеалу по «самообеспечению» веществом и энергией является биологическая система – биосфера. Иерархические подход дает удобную основу для подразделения и изучения экологических ситуаций. На этом основании можно дать определение экологии как науки, ее содержания, предмета и задач.Экология – наука о взаимоотношениях организмов между собой и с окружающей неживой природой.^ Основным содержанием современной экологии является исследование взаимоотношений организмов друг с другом и со средой на популяционно-биоценотическом уровне и изучение функционирования биологических макросистем более высокого ранга: биогеоценозов (экосистем), биосферы, их продуктивности и энергетики.Предметом исследования экологии являются биологические макросистемы (популяция, биоценозы) и их динамика во времени и пространстве.^ Задачи экологии – изучение закономерностей размещения живых организмов в пространстве, изменения численности организмов, потока энергии через живые системы и круговорота веществ и т.д. Экологические «законы» Барри Коммонера (американский эколог) были сформулированы в начале 70-х годов. Они отражают суть рационального природопользования: Все связано со всем Все надо куда-то девать За все надо платить Природа знает лучше Экология – комплексная социоестественная наука, в предмет которой вовлечены все стороны жизнедеятельности человека.^ Структура современной экологииОбщепринято считать, что экология как наука подразделяется на классическую и современную. При этом под «классической» экологией понимают «общую экологию» («биоэкологию») по Э. Геккелю, а в «современную» экологию помимо этого включают ее прикладные разделы: охрану окружающей среды и природопользование, глобальную и социальную экологию. Экология за 150 лет своего развития из раздела биологической науки превратилась в междисциплинарный комплекс знаний и методов, связанных с изучением взаимоотношений организмов (в том числе и человека) со средой, допустимых пределов воздействий общества на природу и последствий этого, а также их минимизации — вплоть до полной ликвидации неблагоприятных последствий и восстановления (реабилитации) природной среды.ЭКОЛОГИЯ Общая (биоэкология) по уровням организацииаутоэкологи демэкология спецэкология (эйдэкология) синэкология биоценология биогеоценология биосферология (учение о биосфере)Э. растений Э. животных Э. микроорганизмовЭ. водных организмов Геоэкология по типам средыЭ. суши Э. пресных вод Э. высокогорий и т.д.Социальная экологияГлобальнаяЭкология человекаЭкологическое право Прикладная По сферам деятельности человекаПромышленная Технологическая Сельскохозяйственная Медицинская Промысловая Химическая Рекреационная Геохимическая природопользования Аутэкология – изучает взаимодействие особи с окружающей средой.Демэкология – популяционная экология.Спецэкология (эйдэкология) – экология вида.Синэкология – экология сообществ.Биоценология – экология биоценозов.Биогеоценология – экология о биоценозах.Биосферология – учение о биосфере.Экология прикладная – разрабатывает нормы использования природных ресурсов среды, принципов рационального использования природных ресурсов, изучает механизмы разрушения биосферы человеком, способы предотвращения этого процесса.Экология социальная – научная дисциплина, исследующая взаимоотношения и взаимосвязи человеческого общества со средой природной.Агроэкология – изучает взаимодействие человека с окружающей средой в процессе с/х производства, влияние с/х на природные комплексы и их компоненты, взаимодействие между компонентами агроэкосистем и специфику круговорота в них веществ и энергии. Цели и задачи агроэкологии: обеспечение производства качественной биологической продукции; сохранение и воспроизводство природно-ресурсной базы; минимализация негативного воздействия на окружающую природную среду.Раздел II. АутэкологияТема 1. Среда и условия существования организмовРазличают такие понятия как среда и условия существования организмов.Среда обитания – это часть природы, окружающая живые организмы и оказывающая на них прямое или косвенное воздействие. Из среды организмы получают все необходимые для жизни и в неё же выделяют продукты обмена веществ. Среда обитания каждого организма слагается из множества элементов неорганической и органической природы и элементов, привносимых человеком и его производственной деятельностью. При этом одни элементы могут быть частично или полностью безразличны организму, другие – необходимы, а третьи оказывают отрицательное воздействие. Живые организмы – открытые системы. Испытывая потребность в притоке вещества и энергии, организмы полностью зависят от среды. Влияние живых организмов на среду: растений на климат и водный режим (содержание в воздухе О2, N2, СО2 зависит от жизни различных организмов); почвообразующая деятельность живых организмов; влияние водных организмов на качество природных вод (фильтрационное питание и 40 видов животных – биологическое самоочищение); живые организмы играют средообразующую роль.Условия жизни, или условия существования – это совокупность необходимых для организма элементов среды обитания, с которыми он находится в неразрывном единстве и без которого существовать не может. Отдельные свойства или элементы среды, воздействующие на организмы, называются экологическими факторами. Существуют различные подходы к классификации экологических факторов. Экологические факторы Абиотические – факторы неживой природы Биотические – это совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на другие Антропогенные – факторы влияние человека на другие виды и на среду обитания. Метеорологические (температура, влажность воздуха, давление, скорость и сила ветра) Фитогенные (воздействие растений) Хозяйственные (непосредственное удовлетворение потребностей жизнеобеспечения человека) Геофизические (солнечная радиация, космическое излучение, геомагнетизм, особенности ландшафта) Зоогенные (воздействие животных) Техногенные (применение машин и сложного технического оборудования для достижения определенных целей) Химические (компоненты воды, воздуха, почвы, кислотность, примеси и др.) Микробогенные (воздействие микроорганизмов) По времени эволюционныйисторический По периодичности периодическийнепериодический По очередности первичныйвторичный По происхождению космический абиотический (абиогенный) биогенный биотический биологический природно-антропогенный антропогенный (в т.ч. техногенный, загрязнение среды, в т.ч. беспокойство) По среде возникновения атмосферный водный (влажности) геоморфологический эдафический физиологический генетический популяционный биоценотический экосистемныйбиосферный Все факторы:Ресурсы – факторы, которые организм может потреблять и тем самым снижать их доступность;Условия – факторы, воздействие которых на организм не зависит от их потребления другими организмами.^ Тема 2. Влияние основных абиотических факторов на живыеорганизмыТемпературы как экологический факторТемпература – один из важнейших экологических факторов. Во-первых, действует везде и постоянно. Во- вторых, влияет на скорость многих физических процессов и химических реакций, в т.ч. и на процессы, идущие в живых организмах, влияет на анатомо-морфологические особенности организмов, их рост, развитие и во многом на географическое распространение растений и животных. Все организмы в зависимости от температурных режимов среды обитания делятся на: криофилов (организмы, живущие при низких температурах) и термофилов (организмы, живущие при высоких температурах).^ Общие закономерности воздействия температуры Любой организм способен существовать лишь в определенном диапазоне температуры. Этот диапазон ограничен нижней летальной температурой (смертельной) и верхней летальной температурой, наиболее благоприятная для жизнедеятельности и роста температура, называется оптимальной. В зависимости от ширины интервала температуры, в которой данный вид может существовать организмы делят на:Эвритермные – (греч. eurys – широкий) – организмы, выдерживающие широкие колебания температуры;Стенотермные – живут в узком диапазоне температур (греч. stenos – узкий). Большинство живых организмов могут существовать только в интервале температур 0 и 50оС, т.к. при этих температурах происходит нормальный обмен веществ. Однако, самая низкая температура, при которой обнаружены живые существа – 200оС, а самая высокая до +100оС. Бактерии горячих источников выдержат температуру 88оС, цианобактерии (синезеленые водоросли) 80оС. Температура – фактор, определяющий предпочтительность местообитания, степень активности и жизнедеятельности организма, длительность развития и число поколений в году. Например, Личинка колорадского жука ежедневно потребляет 638 мм2 листьев картофеля при 36оС и только 215 мм2 при 16 оС. При температуре 10-13оС взрослое животное перестает питаться. Наибольшее количество пищи потребляется при 25оС. Температура влияет на плодовитость. При 25оС жук наиболее плодовит. Колебания температуры так же важны для живых организмов. Например, Шелфорд (1929) обнаружил, что яйца, личинки, куколки яблоневой плодоножки в условиях колебания температур развивались на 7-8 % быстрее, чем при постоянной температуре.Например, оптимальна температура для выращивания растений: Растение Температура, оС дневная ночная АстраТоматы 2424 1618 Различные адаптации к температуреБиохимические. Важную роль играет в приспособлении к температуре теплоустойчивость белков и клеточных структур. Особенно химические адаптации важны для микроорганизмов и растений. При адаптации к низким температурам в клетках растения увеличивается осмотическое давление клеточного сока, уменьшается содержание свободной воды, не связанной в коллоиды, следовательно, связанная вода плохо испаряется и замерзает, она становится кристаллической по структуре и в то же время сохраняет жидкое состояние. Между частицами цитоплазмы и водой устанавливается единство структуры, обеспечивающее ей, таким образом, вхождение в структуру макромолекул белков и нуклеиновых кислот. В таком состоянии ее трудно заморозить, перевести в твердое состояние. Так же приспособлением к низким температурам является и отложение питательных веществ в виде высокоэнергетических соединений – жира, масла, гликогена и др. Например, у млекопитающих большое скопление питательных веществ наблюдается в бурой жировой ткани в непосредственной близости от жизненно важных органов – сердца и спинного мозга – и имеет приспособительных характер. В митохондриях клеток этой ткани при клеточном дыхании на синтезируется АТФ, а вся энергия рассеивается в виде тепла (Степановских А.С., 1997). Акклимация – изменение пределов выносливости под влиянием предшествующих условий. Пример – закалка растений. Акклимация связана перестройкой различных биохимических процессов. Например, у многих животных в ходе акклимации меняется состав липидов.Морфологические Примером морфологической адаптации у животных является: густой и длинный мех у млекопитающих, когда их выращивают при низкой температуре. Одно из важнейших приспособлений к температуре у растений – форма их роста. Например, в Арктике в высокогорье много растений с прикорневыми розетками листьев, стелющихся форм. Растения улавливают максимум тепла солнечных лучей и используют тепло нагретой поверхности.Правила (законы), управляющие адаптациями млекопитающихПравило Бергмана: «При продвижении на север средние размеры тела в популяциях теплокровных животных увеличиваются». При увеличении размеров увеличивается относительная поверхность тела, а значит и теплоотдача.Правило Алена: «У видов, живущих в более холодном климате, различные выступающие части тела (хвост, уши, конечности и др.) меньше, чем у родственных видов из более теплых мест».Правило Глогера: «Окраска животных в холодном и сухом климате сравнительно светлее, чем в теплом и влажном».Физиологические адаптации Терморегуляция – способность организмов в определенных пределах менять температуру своего тела, на основе физиологических процессов. Обычно она сводится к поддержанию температуры тела на более постоянном уровне, чем температура окружающей среды. Все животные делятся на:Пойкилотермные (с греч. poikilos – различный и therme – тепло) – организмы с постоянной температурой тела. Некоторые пойкилотермные способны к терморегуляции (например, крупные вараны, тунцы, способны повышать температуру тела в период высокой мышечной активности);Гомойотермные (с греч. homoios подобный) – животные, имеющие практически постоянную температуру тела, независимо от температуры среды. Гомойотермные животные называют еще эндотермные, т.к. они существуют за счет внутренних источников тепла. А пойкилотермных животных называют эктотермные, т.к. они больше зависят от тепла, поступающего извне, чем от того тепла, которое образуется в обменных процессах. Гомойотермные организмы способны к:Химической терморегуляции – способности регулировать теплопродукцию за счет изменений обмена. У млекопитающих есть ткань, «ответственная» за теплопродукцию, – бурый жир. В митохондриях клеток этой ткани при клеточном дыхании не синтезируется АТФ, а вся энергия рассеивается в виде тепла.Физической терморегуляции – способности регулировать теплоотдачу. В ней участвуют изменения морфологии, поведения и физиологических реакций. Например, 1. зимой у птиц увеличивается масса перьев; 2. многие животные накапливают жир, и подкожный жировой слой обеспечивает, теплоизоляцию; 3. в выступающих или поверхностных частях тела (например, в ластах китов, в лапах некоторых птиц) есть сплетение сосудов, в котором вены тесно прижаты к артериям (чудесная сеть) по артериям кровь отдает тепло венам, оно возвращается к телу, а артериальная кровь поступает в конечности охлажденной. При этом конечности – пойкилотермны, зато, температуру тела можно поддержать с меньшей затратой энергии; 4. у собак и птиц – учащенное дыхание для низкой температуры тела; 5. для уменьшения температуры некоторые сумчатые в жару обмазывают шкуру слюной.Поведенческие адаптации Перелеты, миграции, изменение сроков активности. Переход на питание более калорийной пищей (белки в теплое время поедают более 100 видов кормов, зимой же питаются, главным образом, семенами хвойных, богатых жирами). Утепляют убежища, гнезда, углубление нор, принятие особой позы (скручивание кольцом, укрывание хвостом, собирание в группы (скучиванье). Некоторые животные согреваются путем перебежек и прыжков. Свет – абиотический факторИзлучения, доходящие до земли, состоят из теплового излучения (инфракрасные лучи, и небольшая часть видимого спектра), лучей, обладающих химической активностью (ультрафиолетовые лучи) и лучей видимого спектра. Состав лучистой энергии, достигающий земной поверхности в ясный день. Видимый свет 50 % Инфракрасное излучение 50 % Ультрафиолетовое излучение 1 % Влияние света на фототрофов. Фотосинтез происходит в присутствии видимого солнечного света. Пигменты хлоропластов получают излучения примерно между 380 и 740 нм, поэтому данную область называют фотосинтетически активной радиацией (ФАР). Солнечный свет, проходя через воду, приобретает зеленоватый оттенок, т.к. красная и синяя области спектра отфильтровываются водой. Зеленоватый свет слабо поглощается хлорофиллом. Животные в море красные водоросли, имеют дополнительные пигменты, что позволяет им жить на большей глубине, чем зеленые водоросли.Фототрофы – организмы способные преобразовывать энергию света в энергию химических связей, используемую затем для синтеза органических веществ из неорганических. Или другими словами – это организмы способные под воздействием солнечного света, при реакции фотосинтеза из неорганических веществ получать органические.^ Растения по потребности в свете делятся на:Световые – растения, приспособленные к свету высокой интенсивности, которые плохо чувствуют себя при затенении (гелиофиты). Растения, обитают на открытых местах (лиственница, сосна обыкновенная, береза).Теневые (тенелюбивые) – растения, приспособленные к низкой интенсивности света, живут под пологом леса (сциофиты) (Н-р, кислица, мхи).Теневыносливые растения могут жить при разной интенсивности света. Относятся деревья, начинающие рост под пологом леса, а затем выходящие в верхние ярусы леса. Так же травянистые растения опушек, лесных полян (земляника лесная, ландыш майский, черника) – (Факультативные гелиофиты).^ Роль света для гетеротрофовГетеротрофы – организмы, потребляющие готовые органические вещества и не способные к их синтезу. Животные ориентируются с помощью зрения. Они могут жить в условии полной темноты.Фотопериодизм – реакция растений на суточные ритм освещения, т.е. длины дня и длины ночи. С греч. Photos – свет, periodos – чередование, круговращение. Важен для синхронизации жизнедеятельности и поведения растений и животных (особенно размножения) с временами года.^ Реакция растений на продолжительность дня Длинодневные Короткодневные Нейтральные Белена Хлебные злаки КлеверФиалка Табак Рис Просо Соя Конопля Астры ГречихаГорох Под влияние продолжительности дня в растениях образуются гормоны, влияющие на цветение, образование клубней, луковиц. У животных фотопериодизм наблюдается: наступление и прекращение брачного периода, т.к. от длины дня зависит созревание половых желез многих млекопитающих, плодовитость, линька, наступление зимней спячки, миграция. Часто фотопериодическая реакция наступает лишь при сочетании определенной длины дня и какого-то второго стимула. Например, при слишком низкой температуре растения не зацветают даже при подходящем фотосинтезе.Хемоавтотрофы – для синтеза органических веществ, используют химическую энергию. Например, серобактерии и железобактерии, которые получают энергию при окислении соединений серы и железа.Вода как биотический факторВода – экологический фактор для водных организмов Физические свойства воды – плотность, удельная теплоемкость, растворенные в ней газы и соли, показатель рН, а так же ее движение – экологические факторы, определяющие разнообразие приспособления и выживание – обитателей водной среды: Кислотность воды влияет на продуктивность водоема. Если рН ниже 5 , то продуктивность пресных вод резко уменьшается.^ Влияние влажности на наземные организмы Биохимические реакции, идущие в клетках, протекают в жидкой среде. Вода – «уникальный растворитель». В растворенном виде транспортируются питательные вещества, гормоны и т.д. Вода участвует в фотосинтезе растений, многие из них рассеиваются с помощью воды. В зависимости от места обитания различают следующие экологические группы растений.Гидрофиты – водные растения, обитающие в водоемах, мелководье и на болотах. Например, кубышка желтая, кувшинка и т.д.Гигрофиты – (от греч. «гигрос» – влажные и «фито» – растение) растения живущие в условиях постоянно высокой влажности воздуха и почвы (в нижних ярусах сырых лесов. Например, в сырых ольховых лесах, по долинам рек, на заболоченных участках. Примеры: на осоковых болотах – осоки, плаун-трава; торфяных, или сфагновых болотах – сфагновые мхи, росянка;на сырых лугах – гравилат речной, незабудка болотная, осока лисья; прибрежные – тростник обыкновенный, осоки; в ольховых лесах – бодяг огородный; в сырых еловых лесах – мох кукушкин лен, луговой и лесной хвощ. Их еще называют влаголюбивыми.Мезофиты – это растения умеренно увлажненных местообитаний. Это луговые и лесные растения. Из луговых: тимофеевка луговая, клевер; из лесных: сныть обыкновенная, орешник, береза.Ксерофиты – (от греч. «ксерос» – сухой) засухоустойчивые растения, обитающие в условиях недостаточного увлажнения (в степях и пустынях). Например, ковыль, кустарник джузгун, саксаулы, типчак. Структурные приспособления у ксерофитов направленные на уменьшение расхода воды: Общее сокращение транспирирующей поверхности за счет мелких, сильно редуцированных листовых пластинок; Уменьшение листовой поверхности в наиболее жаркие и сухие периоды вегетационного сезона; Защита листьев от больших потерь влаги на транспирацию благодаря развитию мощных покровных тканей – толстостенного и многослойного эпидермиса, не редко несущего различные выросты и волоски, которые образуют густое «войлочное» опушение поверхности листа; Усиленное развитие механической ткани, предупреждающее обвисание листовых пластинок при больших потерях воды. К ксерофитам относятся:Склерофиты – (от греч. «склерос» – твердый, жесткий), которые не накапливают в себе воду, а испаряет ее в большом количестве, постоянно доставая из глубоких слоев почвы. Тело их сухое, иногда одревесневшее, с большим количеством механической ткани. При продолжительном прекращении подачи воды, наблюдается сбрасывание листьев или частей побегов, следовательно, сокращается испарение. Многие переносят засуху в состоянии покоя. Другая группа ксерофитов – суккуленты от лат «суккулентус» – сочный, жирный). Водозапасающие ткани у них могут быть развиты в стеблях или листьях, следовательно, они делятся на стеблевые суккуленты (кактусы, молочаи) и листовые суккуленты (алоэ, молодило), характерная особенность – высокая поглощающая способность.