ЗАНЯТИЕ № 5

Основы общей экологии.
1. Экология как наука. Основные понятия экологии.
2. Экологические факторы среды и их классификация.
3. Характеристика биоценоза (сообщества).
4. Изменение биоценоза во времени.
5. Цепи питания. Формы биотических связей.
1. Экология (от греч. Oikos – жилище, местообитание, logos - наука) – изучающая взаимосвязи и закономерности сосуществования живых организмов в природе; организацию и функционирование популяций, биоценозов, биогеоценозов и биосферы в целом; законы «здорового» состояния как нормы и основы существования жизнь. Поэтому знание истории образования структуры сообществ живых организмов и тех факторов окружающей среды, которые оказывают воздействия на них, позволит сохранить необходимую для жизни человека среду и разумно использовать природное ресурсы.
Термин «экология» впервые ввел немецкий биолог Эрнст Геккель в 1866 г. в книге «Всеобщая морфология организмов». Экология возникла как часть биологии. Но в настоящее время экология распалась на ряд научных дисциплин, часто далеких от первоначального ее понимания. Отмечается разнообразное толкование содержания термина «экология». Но в любом случае в основе всех современных направлений экологии лежат фундаментальные идеи биоэкологии.
Главная линия развития экологии в настоящее время нацелена на решение некоторых особо важных проблем; охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов, охрана растительного и животного мира, охрана здоровья населения и создание безотходного производства.
Экология имеет свою специфику; объектом ее исследования служат не единичные особи, а группы особей, популяции (в целом и частично) и их сообщества, т.е. биологические макросистемы. Многообразие связей, формирующихся на уровне биологических макросистем, обусловливает разнообразие методов экологических исследований.
Для эколога первостепенное значение имеют полевые исследования, т.е. изучение популяций видов и их сообществ в естественной обстановке, непосредственно в природе. Полевые методы позволяют установить результат влияния на организм или популяцию определенного комплекса факторов, выяснить общую картину развития и жизнедеятельности вида в конкретных условиях. Однако наблюдения не могут дать вполне точного ответа, например, на вопрос, какой же из факторов среды определяет характер жизнедеятельности особи, вида, популяции или сообщества. На этот вопрос можно ответить только с помощью эксперимента, задачей которого является выяснение причин наблюдаемых в природе отношений. Экспериментальные методы позволяют проанализировать влияние на развитие организма отдельных факторов в искусственно созданных условиях и таким образом изучить все разнообразие экологических механизмов, обусловливающих его нормальную жизнедеятельность.
При экологическом исследовании, которое обычно проводится на определенном количестве особей, изучаются природные явления во всем их разнообразии: общие закономерности, присущие макросистеме, ее реакции на изменение условий существования и другие. Но каждая особь, индивидуум неодинаковы, отличны друг от друга. Кроме того, выбор особи из всей популяции носит случайный характер. И лишь применение методов математической статистики дает возможность по случайному набору различных вариантов определить достоверность тех или иных результатов (степень отклонения их от нормы, случайное отклонения или закономерности) и получить объективное представление о всей популяции.
Однако как только было установлено, что все биологические системы, в том числе и надорганизменные макросистемы, обладают способностью к саморегуляции, ограничиваться методами математической статистики стало невозможно. Поэтому в современной экологии широко применяются методы теории информации и кибернетики, тесно связанные с такими областями математики, как теория вероятности, математическая логика, дифференциальные и интегральные исчисления теория чисел, матричная алгебра.
В последнее время широкое распространение получило моделирование биологических явлений, т.е. воспроизведение в искусственных системах различных процессов, свойственных живой природы. Так, в «модельных условиях» были осуществлены многие реакции, протекающие в растении при фотосинтезе. Примером биологических моделей может служить и аппарат искусственного кровообращения, искусственная почка, искусственные легкие, протезы, управляемые биотоками мышц, и др.
В современных условиях методы экологические исследования играют существенную роль в решении ряда теоретических и практических задач. Динамика численности организмов, сезонные развитие, расселение и акклиматизация полезных и вредных видов, прогнозы размножения и распространения – вот основные в настоящее время экологические проблемы. Разработка их требует рационального сочетания полевых, экспериментальных исследований, математическое и моделирование, которые должны взаимно дополнять и контролировать друг друга.
Современную экологию обычно подразделяют на аутоэкологию (экологию особей) и синэкологию (экологию сообществ). Однако такое подразделение не отображает специфики современной экологии, изучающей жизнь на уровнях различных биологических макросистем. Поэтому Ю. Одум, к примеру выделяет экологию видов, экологию популяций, экологию сообществ и экологию экосистем. Н. П. Наумов предлагает три подразделения: экологию особей, экологию популяций и экологию сообществ. Очевидно, четкое расчленение ее – задача ближайшего будущего. Важно, что в экологии объективно выделяется подразделения, и изучающие органический мир на уровне особи (организма), популяции, вида, биоценоза, биогеоценоза (экосистемы) и биосферы. В связи с этим уже можно четко выделить: аутэкологию (экология особей), демэкологию (экология популяций), эйдэкологию (экология видов) и синэкология (экология сообществ).
Задачей аутэкологии (от греч. Autos - сам) является установление пределов существования особи (организма) и тех пределов физико-химических факторов, которые организм выбирает из всего диапазона их значение. Аутэкология изучает физиология и поведение отдельных организмов в естественных условиях обитания.
Демэкология (от греч. Demos - народ) изучает естественные группировки особей одного вида, т.е. популяции элементарные надорганизменные макросистемы. Важнейшей задачей ее является выяснение условий, при которых формируются популяции, а также изучение внутрипопуляционных группировок и их взаимоотношений, организации (структуры), динамики численности популяций.
Синэкология (от греч. Syn вместе) или экология сообществ (биоценология), изучает ассоциации популяций разных видов растений, животных и микроорганизмов, образующих биоценозы, пути формирования и развития последних, структуру и динамику, взаимодействие их с физико – химическими факторами среды, энергетику, продуктивность и другие особенности. Синэкологические исследования направлены на изучение межвидовые отношения, потоки энергии и круговороты веществ.
Эйдэкология (от греч. Eidos – образ, вид), или экология видов, - наименее разработанное подразделение современной экологии. Вид как уровень организации живой природы, как надорганизменная биологическая макросистема еще не стал объектом экологических исследований. Это объясняется тем, что по мере развития экологии внимание и интерес исследователей с организма, т.е. с аутоэкологии, переключились на популяцию демэкологию, а затем на биоценоз, биогеоценоз и биосферу в целом.
2. Элемент среды, способный оказывать прямое влияние на живой организм хотя бы на одной из стадий индивидуального развития, называется экологическим фактором. В соответствии с распространенной и удобной классификацией экологические факторы делят на биотические и абиотические а также целесообразно выделение антропогенных экологических факторов. По мере роста народонаселения и технической вооруженности человечество удельный вес антропогенных экологических факторов неуклонно возрастает.
Абиотические факторы – компоненты неживой природы, прямо или косвенно воздействующие на организм. Их делят на следующие группы:
● климатические факторы (свет, температура, влажность, ветер, атмосферное давление и др.);
● геологические факторы (землетрясения, извержения вулканов, движение ледников, радиоактивное излучение и др.);
● орографические факторы, или факторы рельефа (высота местности над уровнем моря, крутизна местности – угол наклона местности к горизонту, экспозиция местности – положение местности по отношению к сторонам света и др.);
● эдафические, или почвенно-грунтовые факторы (гранулометрический состав, химический состав, плотность, структура, рН и др.);
● гидрологические факторы (течение, соленость, давление и др.)
Биотические факторы – воздействие на организм других живых организмов.
В зависимости от вида воздействующего организма их разделяют на две группы:
● внутривидовые, или гомотипические факторы – это влияние на организм особей этого же вида (зайца на зайца, сосны на сосну и т. д.);
● межвидовые, или гетератипические факторы – это влияние на особей других видов (волка на зайца, сосны на березу и т.д.)
Антропогенные факторы – деятельность человека, приводящая либо к прямому воздействию на живые организмы, либо к изменению среды их обитания (охота, промысел, сведение лесов, загрязнение, эрозия почв и др.).
При этом различают воздействие человека как биологического организма (потребление пищи, дыхание, выделение и т. д.) и его хозяйственную деятельность (сельское хозяйство, промышленность, энергетика, транспорт, бытовая деятельность и т.д.) Факторы, связанные с хозяйственной деятельностью человека, называются техногенными.
В зависимости от характера воздействий антропогенные факторы делят на две группы:
● факторы прямого влияния – это непосредственное (прямое) воздействие человека на организм (скашивание травы, вырубка леса, отстрел животных, отлов рыбы и т.д.);
● факторы косвенного влияния – это опосредованное (косвенное) воздействие на организм (загрязнение окружающей среды, разрушение местообитаний, беспокойство и т.д.)
В зависимости от последствий воздействия антропогенные факторы делят на следующие группы:
● положительные факторы – факторы, которые улучшают жизнь организмов или увеличивают их численность (разведение и охрана животных, посадка и подкормка растений, охрана окружающей среды и т.д.);
● отрицательные факторы – факторы, которые ухудшают жизнь организмов или снижают их численность (вырубка деревьев, отстрел животных, разрушение местообитаний и т.д.)
Согласно другой классификации различают первичные и вторичные периодические и непериодические экологические факторы. С действием первичных факторов жизнь столкнулась на ранних стадиях эволюции. К ним относятся температура, изменение положения земли по отношению к Солнцу. Благодаря им в эволюции возникла суточная, сезонная, годичная периодичность многих биологических процессов. Вторичные периодические факторы являются производными первичных факторов. Например, уровень влажности зависит от температуры, поэтому в холодных областях планеты атмосфера содержит меньше водяных паров. Непериодические факторы действуют на организм или популяцию эпизодически, внезапно. К ним относят стихийные силы природы – извержение вулкана, ураган, удар молнии, наводнение, а также хищник, настигающий жертву, и охотник, поражающий цель. Благодаря многообразию экологических факторов наблюдается закономерное расселение видов по планете.
Любая особь, популяция, сообщество испытывают одновременное воздействие многих факторов, но лишь некоторые из них являются жизненно важными. Такие факторы называются лимитирующими, и их отсутствие или наличие концентрации ниже и выше критических уровней делает невозможным освоение среды организмами определенного вида. Благодаря наличию лимитирующих экологических факторов для каждого биологического вида существуют оптимум и пределы выносливости. Так, устрицы наилучшим образом развиваются в воде с содержанием солей 1,5-1,8%. При снижении концентрации солей до 1,0% более 90% личинок погибает в течение двух недель, а при концентрации 0,25% все поголовье их гибнет за одну неделю. Повышение концентрации соли по сравнению с оптимальной величиной также оказывает неблагоприятное действие на устриц.
Способность вида осваивать разные среды питания выражается величиной экологической валентности. Виды с малой экологической валентностью называются стенотопными, с большой эвритопными. Эвритопные виды могут быть представлены несколькими экотипами разновидностями, приспособленными к выживанию в средах, различающихся по некоторым фактором. Так, сложноцветное растение тысячелистник образует равнинные и горные экотипы.
Среда обитания (жизни) – это часть природы, окружающая живые организмы и оказывающая на них определенное воздействие. На нашей планете живые организмы освоили 4 среды обитания: водную, наземно-воздушную, почвенную и организменную. Первой была освоена водная среда. Затем появились паразиты и симбионты, использующие организменную среду обитания. В дальнейшем после выхода жизни на сушу, живые организмы населили наземно-воздушную среду, а одновременно с этим создали и заселили почву. Под почвенной средой обитания подразумевают не только собственно почву, но и горные породы поверхностной части литосферы.
3. Сообщество – любая группа организмов, принадлежащих к разным видам и сосуществующих в одном местообитании или определенной местности; все этиорганизмы связаны между собой пищевыми и пространственными взаимодействиями.
Популяция – это группа организмов одного вида, обитающих на ограниченной территории и обычно в той или иной степени изолированных от сходных групп.
К понятию биогеоценоза близко по смыслу понятие экосистемы, которое введено в науку английским ботаником А. Тенсли в 1935г. В отличие от биогеоценозов, границы которых задаются рамками растительных сообществ (фитоценозов), экосистемы не имеют определенного объема и могут охватывать пространства разной протяженности – от капли воды аквариума до океана или всей поверхности планеты.
Биогеоценоз – это динамическое и устойчивое сообщество растений, животных и микроорганизмов, находящееся в постоянном взаимодействии и непосредственном контакте с компонентами атмосферы, гидросферы и литосферы. Биогеоценоз состоит из биотической (биоценоз) и абиотической (экотоп) части, которые связаны непрерывным обменом веществом и представляет собой энергетически вещественно открытую систему. В него поступают энергия солнца, минеральные вещества почвы и газы атмосферы, вода. Из него выделяются тепло, кислород, углекислый газ, биогенные вещества, переносимые водой, перегной. Основными функциями биогеоценоза являются поток энергии и круговороты веществ. (Рис. 1.)