КУРС ЛЕКЦИЙ ПО ЭКОЛОГИИ
Лекция 1 (4 часа). Общебиологические и системныепредставления.
Введение. Предмет и задачиэкологии.
1. Основныепонятия и определения экологии.
2. Современныеэкологические проблемы.
3. Экологическиеаспекты существования человека в современных условиях.
Введение
Жизненную важностьэкологической проблемы никому из нас не нужно доказывать. Однако эта очевиднаяреальность и создает трудности преподавания и познания вами экологии.
В действительности вопрос очень сложный итребует формирования нового стереотипа в поведении человека, следовательнокурс должен формироваться как общеобразовательный и фундаментальный.
По терминологии академика Вернадского налюбом структурном уровне от организма до биосферы мы вынуждены рассматриватьсистему, т.е. совокупность взаимосвязанных элементов, погруженных в другую,более широкую метасистему, в которой первая играет роль элемента, поэтомупонятие экосистемы является центральным понятием курса.
Необходимо запомнить основной тезис оединстве природы, т.к. единство и взаимосвязь объектов природы требуетрассмотрения конкретных экологических вопросов на единойсистемно-биологической и эволюционной основе.
В рамках глобальной экологической проблемыопределяется рациональное поведение человека в природе, т.е. адекватнаяэкология человеческой популяции. Эта экология может быть создана только на основечеловеческого разума. Следовательно, необходимо тотальное распространениесреди людей всех уровней образования и интеллекта научно обоснованной экологической концепции.
В результате вам необходимо будет знать:
1. Цели и задачи, систему исходных понятий экологии.
2. Основные закономерности взаимодействия живыхорганизмов и природной среды.
3. Принципы организации и функционирования экологическихсистем.
4. Закономерность функционирования биоценозов.
5. Место и роль человека в биосфере земли, закономерностивозникновения и развития антропосферы.
6. Общие принципы рационального природопользования илиприродопотребления.
7. Методы системного анализа и контроля природной сферы.
8. Основные антропогенные факторы воздействия наприродную среду.
9. Умение предвидеть, экологические последствия(культурно-хозяйственной) человеческой деятельности.
10. Знать способы блокированиянеблагоприятных (разрушительных) антропогенных факторов.
11. Оценивать состояние природнойсреды в процессе проектирования и создания новой техники и технологии ииспользовать это в инженерной, проектно-конструкторской и производственнойдеятельности, исходя из принципов сохранения и возобнавления природныхресурсов.Курс экологии структурно состоит из 5 разделов:1. Общебиологические и системные представления;2. Взаимоотношения организмов и популяций с окружающей средой — аутэкология;3. Закономерности, определяющие динамику популяции — демэкология; 4. Синэкология содержит сведения по основным аспектам функционирования биотических сообществ (биоценозов).5. Эволюционные проблемы экологии, в т.ч. перспективы развития биосферы ироль человека в этом развитии.
1.1Основные понятия и определения экологии
Слово «экология» впервые употребил ЭрнестГеккель в 1866 году, обозначив им биологическую науку, изучающуювзаимоотношения организмов с окружающей средой. Сейчас это слово сталообыденным и привычным. Дословно с греческого экология – наука о месте обитания.Другое понимание экология это экономика природы.
По определениюрусского ученого А. Я. Данилевского экология – наука о структуре и функцииэкологических систем и о механизмах, обеспечиваюших их гомеостазис.
В традиционной классификации наук экологияотносится к биологическому циклу. По представлению ученого экологаЮджина Одума место определено следующим образом:……….
Экология - системнаянаука. Она включает предметы пересекающих других биологических наук, но водном аспекте, отражающем связи между средой и организмом, средой и популяцией, средой и сообществом популяций, физической средой и всеми живыми организмами (всей биотой).
Экологические системы, равно как ибиогеоценозы, состоят из экологических компонентов, которые являются ихосновными материально-энергетическими составляющими.
К ним относятся: энергия (все лучевые,волновые и квантовые источники), газовый состав (атмосфера), вода (жидкаясоставляющая), почва как субстрат экосистем и биогеоценозов,автотрофы-продуценты, организмы (гетеротрофы-консументы и продуценты), а также информация.
Центральным в экологии являетсяпонятие экосистемы, введенное в 1935 году английским ученым З. Тенсли.Он считал, что в экосистему входит не только комплекс организмов, но и веськомплекс физических факторов, что называем биома – место обитания в широкомсмысле.
Для более полного представленияможно предоставить следующие уровни живого в природ
Рисунок 1.3 –Системныеуровни живого в природе.
Растения синтезируюторганические соединения, используя энергию солнца и питательные вещества изпочвы и воды. Эти соединения служат растениям строительным материалам длясоздания тканей и поддерживают свои функции. Для высвобождения запасеннойхимической энергии растения разлагают органические соединения на исходныенеорганические компоненты – СО2, Н2О, нитраты, фосфаты ит.д. – завершающая круговорот питательных веществ.
Т.к. растенияготовят себе «пищу» сами, то их называют автотрофами (самопитающимися).
Животные извлекаютнеобходимую им энергию из готовой пищи, поедая растения или других животных,поэтому их называют гетеротрофами (питающиеся другими). Разделение наавто- и гетеротрофов относительно, т.к. некоторые растения питаются животными(несекомыми).
Биота – множество всехорганизмов экосистемы – существует в форме сообщества, или совокупности всехпопуляций, занимающих данную территорию.
Крупная легко выделяемаяединица сообщества, образованная под влиянием регионального климата с региональной биотой и субстратом – называемым биом. Эта группаэкосистем со сходным типом растительности, определяемым сходными климатическимиусловиями.
Главные биомы Земли:
тундра; тайга; листопадный и дождевой лес умеренной зоны; степь умеренной зоны; чаппараль (это деревья икустарники с жесткими вечнозелеными листьями, растущие в мягком умеренномклимате, с влажной зимой и сухим летом); пустыня, тропический дождевой лес,тропический листопадный лес, тропический скрэб (кустарник), тропическая степь исаванна, горы (сложная зональность). И наконец, экосистема высшего уровня – этобиосфера. Она представляет собой совокупность всех биомов и более мелкихэкосистем, которые в конечном счете все взаимосвязанны и взаимозависимы засчет глобальных процессов типа круговорота Н2О и циркуляцииатмосферы.
Атмосфера Земли (от греч. атмос – пар, исфера — шар) – это газовая оболочка, окружающая Землю. Масса атмосферысоставляет (5,15/>5,9)1015т. Атмосфера обеспечивает возможность жизни на Земле и оказывает большоевлияние на разные стороны жизни человечества.
Существенное влияние на атмосферные процессыособенно на тепловой режим стратосферы оказывает озон. Озон сосредоточен в стратосфере, где вызывает поглощение УФ солнечной радиации. Средняя толщинаозона [О3] составляет 2,3-5,2 мм. Распределение озонового слоя надЗемлей представлено на рисунке 1.4., его толщина изменяется в течение года:минимальная осенью, максимальная весной.
Рисунок 1.4-Распределение озонового слоя надповерхностью Земли.
Существуют и другиеклассификационные подходы по Р. Дажо и Мончадскому;
I физические – климатические и неклиматические
II. Основана на особенностях реакций организмов надействие факторов и от степени совершенства их адаптаций.
I. климат (наклон (греч.) – многолетний режим погодыдля данной местности)
Макроклимат – по региону;
Мезоклимат – по местности;
Микроклимат – на уровнеорганизма.
Факторы глобального климата:лучевая энергия; температура, освещенность, относительная влажность, осадки.
Климат характеризуетсяклимограммой (графической зависимости температура – осадки форма замкнутойломанной линии, каждая точка представляет среднюю температуру и среднееколичество осадков. Солнечный свет – это фотосинтез интенсивной солнечнойрадиации и доля поглощения ее в атмосфере неравномерно распределены по спектру.
УФ с длиной волны /> 0,3 мкм не проходит черезозоновый слой, видимый спектр ослабляется равномерно, ИК – лучи ослабляются взависимости от длины волны. Солнечный свет проходит в воздухе и в воде, поэтомуфотосинтез идет и под водо, но морские растения существуют лишь в эвфоническойзоне (где интенсивность фотосинтеза меньше интенсивности дыхания растений).Точка компенсации приблизительно на глубине 100 м, поэтому ниже 100 мрастительность не развивается, но животные могут жить и глубже.
На суше солнечный светпоглощается или отражается листьями растений, когда его не хватает возникаетконкуренция. Фотосинтез обусловлен тем, что синие и красные лучи позлащаютсяхлорофиллом. Это создают прохладу под листьями в лесу.
Солнечная радиациявоздействует на живое в зависимости от спектра излучения. Поэтому УФ – обладаетсильным бактерицидным действием.
Температура. Разные виды приспособлены к разным температурнымдиапазонам. Влияние температуры на жизнедеятельности организмовхарактеризуется соотношением
/>, где
S=const,
/> — нуль развития (температура,ниже которой не развивается),
D – длительность развития,
/> - эффективной температурой.
Морфологическая адаптациявидов к температуре характеризуется следующими правилами:
Бергмана – крупные животныев наиболее холодных климатических условий;
Аллена – в холодном климатеу животных уменьшается поверхность ушей и хвоста, короче лапы и шея, призе
Влажность – играет особую роль, т.к. в протоплазме актив.животных от 70 — 90 % Н2О, медуза – 98%, личинки жуков />50 %. По влажности животныеделятся на
- гидрофильные (пост. в воде);
- рофильные (в сырых местах);
- мезофильные (переносят колебаниявлажности 50-100%);
- ксерофильные (живущие в сухихместах с дефицитом Н2О в воздухе и почве).
Влажность регулирует процессы роста и старенияорганизмов.
Абиотические факторы вводной среде.
Вода – прозрачность,плотность от температуры, поверхностному натяжению, рН. В воде растворены газы– кислород, приблизительно 35 % от всех раст. газов;
СО2 – в 35 разболее растворим; минеральные соли пресн. До 0,5 г/кг, морских до 35 г/кг. ЭтоСа (64%), Mg (17%), Na (16%), K (3%).
Абиотические факторы впочве.
Почва сложный абиотический объект.
Почвенная вода –гигроскопическая пленка в порах диаметром
Структура почвы.
Гравий более 2 мм
Крупнозернистые пески менее(0,2-2) мм
Мелкозернистые от (20-200)мкм
Суглинки (2-20) мкм
Минеральные коллоиды менее 2мкм.
Почвы также делятся намелкозернистые и колжоватые. Na
Солончаковые pH
Факторы питания.
Пища – это источник энергиии строительных материалов. Пища – состав органические вещества целлюлозы, жиры,белки, сахара, крахмал. Они сгорают на воздухе.
Ф – синтез – С6Н12О6– глюкозу – моль с высокой потенциальной энергией. Растения запасают глюкозупревращая ее затем в крахмал (полисахарид) и жиры. Сьединая пища (крахмал и др.углеводы и сахара) перевариваются →глюкозу→клеточное дыхание (онопротивоположено фотосинтезу). С6Н12О6 + 6О6→6СО6+ Эмер.
Пища источник биогенов,строительные элементы живого. Содержит аминокислоты для строительства белков.Макроэлементы (Са, К, Nа, Р) микроэлементы Si, Gr,Мо, Тi и др.
Витамины жиро– и водоростворимые.
Витамины + белки = ферменты(биокатолезаторы)
Известно 30 витаминов,изучено – 20
Пища должна бытьсбалансированная и калорийная, а также иметь определенную биохимию в обработке.(Баланс жиров; белков; углеводов). Это определяет ее качество. Сбалансированностьв биохимии это допустимое сочетание одних и нежелательность других сочетанийэлементов пищи.
Кислорд – необходим длядыхания в атм. 21% по массе, но он плохо растворим в Н2О. Организмыв основном состоят из воды и поэтому сложна доставка О2 к органам иклеткам. Для мелких водных организмов и наземных растений осуществляетсядиффузия через клетки (до 1 мм). В крупных организмах существуют циркуляционныесистемы для перекачки жидкости из поверхностных тканей в глубоки. У червей,членистоногих и моллюсков система не содержит каппиляров, у позвоночныхзамкнутая. У крупных животных в крови есть белки увеличивающие кислороднуюемкость при контакте – гемоглобин (в 50 раз больше О2), чем вплазме, однако белки увеличивают вязкость крови для снижения эритроциты.Существуют синтетические соединения снижающие вязкость крови и повышающие еетекучесть, например аспирин.
Биотические фактора:взаимоотношение особи и популяции. Популяция – минимальнаясамовоспроизводящаяся группа особи одного вида, населяющая определеннаяпространство на протяжении эволюционной длительности времени.
Характеризуются двумяразновидностями группы, признаки.
Групп. структур.характеристик относ. плотность, рождаемость, смертность, распред. орган. повозрастам, биотич. потенц., тип роста.
Генетические характеристикиобъединяют способность к адаптацию и приспособленность и устойчивость.
Особь в популяции подчиненапоследней и обладает лишь относительной независимостью инд. жизни.
Отношение популяции – особьреализуется не на индивидуальной, а на статической основе. Это означает, чтоувеличение потомства у данной особе случайность. Это же в полной мере относитсяк виду Ноmo Sapiens.
В интересах выживаниячеловеческой популяции, многие известные факты. Способность к обучению языка учеловека теряется навсегда при попадании новорожденного в среду др. животных(Маугли).
При эпидемиях гибнут впервую очередь люди с ослабленным здоровьем др. качества при этом не играют некакой роли.
Существует так называемаякибернетическая гипотеза Геодакяна о роли полов в эволюции.
Женская часть популяции –хранитель генофонда, а мужская – обеспечивать приспособление к измен. условиямсуществования, то ясно, почему в указанных экстремальных условиях гибнут впервую очередь гибнут мужские особи, а затем с временным сдвигом женскаяполовина.
Гомотические реакции – междуособями одного вида;
Геторотипические реакции –межвидовые.
К I виду реакцийотносятся:
– групповой эффект (обьед. в группы более 2 – х)
– массовый эффект при повышен. плотн. > оптим.снижается плодовитость самок (самоограничение вида)
– внутривидовая конкуренция (конкуренция из – за пищи,воды и света)
– территор. поведение – препят. скрещиваниеблизкородственных особей.
– социальная иерархия в стаде оптимизир. Затраты энергииорганизма и степени защищенности.
Ко 2 виду реакций:
– нейтрализм
– отсут. взаимного влияния видов;
– конкурен.-влияет на географ. распространен.Организмов;
– сотрудничество-виды образуют сообщества (гнездованиептиц против налетов хищников).
– комменсамум-один из видов в сообществе, а другой нет.
– паразитизм-один вид (пар.) тормозит рост и развитиедругого и может погубить хозяина.
– Хищничество-один поед. др.-жертву
Виды не являются пассивными объектами воздействияфакторов внешн. Среды и они приспосабливаются сами при этом учитыв. Влияние техили иных факторов.
Влияние на биоту различных факторов неодинаково (однине заменимы и независимы)
На рис показана зависимость биологич. актив. от град.усл. среды.
Уровни активности, необходимые для:
1)поддержания жизнен. важныхбио. функц.;
2)уровни сущест. особи;
3) уровни сущест. популяции.
Это опред. з.Либиха и наз. концепцией лимитир.фактора.(нем. уч. 1803-1873 г. проф. Мюнхен. универ. агрохимик)К.Либиха обуслов. 2 принципами
1-ограничительным экосистема находиться встац. состоянии, когда приток энергии и в.ва балансир. оттоком;
2-взаимодействие факторов-выысокая конц. илидоступность др. фактороа может изменять потреб. мининим. питат. Вещества.
I. Экосистема озера милит фактора СО2(свет, N2, Р – const)то в случае бури (урана) доп количество СО2 раствор то скор образовпродуктов увеличивается и начнет завесить от света, N2, Р факторов.
В развитии закона Либихаизвест. Эколог ХХ века Шелфорд предложил зак. Толерантности.
Миллитирующии влияния наряду смин. оказ тах фактора следовательно, формы характеризующиеся пределамитолерантности.
Конкрет. Проявления з.толерантности
Диапазон (m) может бытьшироким в отношении одного фактора и узким в отношении др.
Организмы с широким диапозонам (m) ковсем факторам наиболее широко распростр.
Если условия по одному фактору неоптимально для вида, то сможет сузиться диапазон телерантности к др. факторам
В природе организмы частооказываются в условиях не оптимальных к тем или иным факторам. Тогда болееважен др. или др. (орхидеи раст в тени и влаге, но могут актив. Рост на свету инизких температурах)
Период размножения является критич вэтот период мн. Факторы становится миллитирующии (взрослые крабы хорошопереносят пресную воду и заходят далеко в реки, но личинки не могут жить впресной воде, поэтому размножаются только в среде обитания) и наоборот лососи
Существует еще понятие«экологическая ниши» – это совокупность связей организма с биотическим иабиотическим функциями среды его обитания экологическая ниша включает не толькофизические пространство, но и функциональную роль организма в сообществе.
Экологическая валентность – этоспособность заселять различную среду, характеризуется большими или меньшимиизменения экологических факторов
1.2Современные экологические проблемы
Хозяйственная деятельность человека отрицательновлияет на озоновый слой атмосферы Земли:
1.Самое большое влияние оказывают запускиракетно-космических объектов.
2.Испарение галогенсодержащих соединений фреонов(хладонов) Ф-11 (CFCl2), Ф-12 (CF2Cl2), Ф-22 (CНClF2) используемых в холодильных технологиях и в аэрозоляхразрушает озоновый слой.
Большинство стран миразначительно сократило выпуск этих химических соединений и был подписанКиотский протокол к рамочной конвенции ООН 11.12.97. Наиболее дисциплинированныегосударства – это Япония, Россия, Франция, Испания, Англия, страны Скандинавии– отказываются от многих пунктов этого соглашения США, Китай и Индия инекоторые страны Ю. Америки. К этому добавлю, что средняя жизнь фреона(естественный его распад) составляет 70-100 и более лет.
Антропогенные воздействияна экологические компоненты экосистем и биогеоценозов проявляются и черездругие химические соединения и вредные вещества, например, СО2. Водаявляется важнейшей составляющей живого вещества, без которой невозможна жизньна нашей планете. Общее количество Н2О оценивается (1,5-2,5) 102или 1,5-2,5 млрд км3.
Воды в природе Землисодержат растворенные соли, газы и органические вещества. При концентрациисолей до 1 г/кг вода считается пресной, до 25 г/кг – солоноватой, и более 25г/кг – соленой. Наименее минерализованными водами являются атмосферные осадки(10-20 мг/кг), затем пресные озера и реки (5-1000 мг/кг). Соленость мировогоокеана колеблется />35 г/кг. Моряимеют меньшую соленость, например, Черное море – 17-22 г/кг; Балтийское –8-16г/кг; Каспийское – 11-13 г/кг.
В воде, потребляемойчеловеком, растворены важнейшие для жизнедеятельности организма органические инеорганические вещества. Вода способствует электролитической диссоциациисодержащихся в них солей, кислот и щелочей, выполняет роль катализатораразнообразных процессов обмена веществ в организме.
Природный состав воды впоследние 10 лет стал объектом очень тщательного внимания человека какпотенциальная причина массовых заболеваний неинфекционной природы. Содержание вводе Cl, Сульфатов и продуктов разложения органическихвеществ (аммиак, нитраты, нитриты), а также солей азотной кислоты, широко применяемыхв промышленности и сельском хозяйстве, ведет к их накоплению в пищевыхпродуктах с последующими тяжелыми отравлениями. В тех районах, где существуетизбыток или недостаток этих соединений, наблюдается изменение флоры и фауны.Так, недостаток фтора в питьевой воде приводит к поражению зубов и ослаблениюкостей скелета человека и животных. Фтор также влияет на фосфорно-кальцевыйобмен и на процесс кальцификации костей.
Недостаток йода (I2) влечет активный рост клеток щитовидной железы инарушение гормонального обмена в организме, в том числе и с тяжелымипоследствиями.
Se – Селен – его недостаток в питьевой воде различныхрайонах Финляндии, Новой Зеландии, Китая, Хабаровский и Алтайский края,Карелия, Псковская, Новгородская и Читинская области РФ некоторые областистран Балтии приводит к повышенному риску заболевания раком прямой и толстойкишки, груди женщин, печени, поджелудочной железы и др. Избыток селена впитьевой воде приводит к селеновым интоксикациям (это работа с производством полупроводником)– это сильный яд стоящий рядом с мышьяком.
В таблице 1.1 приведеныбезвредные для человека концентрации некоторых химических веществ иингредиентов в питьевой воде.